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碲烯:一种不同于块体相的无范德瓦尔斯层状结构的元素单层二维材料

2020-08-31

二维(2D)材料是具有原子厚度的片状材料,因其电子限域效应而具有独特的电子、光学和机械等特性,在新一代智能电子、光电子及储能器件等领域有巨大的应用前景。目前,人们发现的2D材料已达1000多种,如石墨烯、h-BN、MoS2等。其中,单质元素组成的2D材料因组分简单且电子性能优异最受人们关注。截止2016年,人们已经把单质2D材料家族扩展至IIIA、IVA、VA族的大部分非金属元素。那么,VIA族元素是否存在稳定的2D单层结构,这是十分有意义且极具挑战的问题。

图1. 2D单元素材料实验或理论(Th.)发现的时间线及碲的块体和2D结构。

郑州大学贾瑜教授团队与中国科学技术大学张振宇教授等合作应用结构搜索程序与密度泛函理论相结合的方法在理论上预言了VIA族Te元素可能形成三种稳定2D结构即碲烯,分别称为α-, β-, g-Te。该项研究首次把2D单质材料扩展至VIA族元素,其成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。上述关于VIA族单层碲烯的工作引起了广泛关注,推进了相关的实验制备、性能研究和应用探索。美国斯坦福大学Reed教授在Nature杂志News & Views专栏对该研究成果进行了亮点报道,认为二维碲材料的研究是一个有趣的科学发现,说明理论计算在解决材料科学重大问题上至关重要的作用,因为碲烯的体相由一维螺旋链组成,不存在可以机械剥离的层状结构。

本文由郑州大学贾瑜教授团队的蔡小琳博士、韩晓雨博士等对碲烯发现之后的相关理论研究、实验制备及性能研究进行了综述,希望能够激发对碲烯更深入更广阔的探索,其内容主要分为三部分。

首先,更多碲烯结构的预测及实验制备。在最初发现的三种结构的基础上,人们进一步在理论上找到了其他亚稳态的单层和少层的碲烯结构。同时,实验科学家们也对碲烯的实验合成进行了探索,发现无衬底的溶液法(或称水热法)、分子束外延法、气相沉积法等都可以成功制备纳米厚度的碲烯。

其次,本征碲烯的性能研究。碲烯与石墨烯相比有带隙,与磷烯相比空气稳定性非常好,与2D MoS2相比具有高载流子迁移率,这些优异的基本特性引发了人们对碲烯的其他性能和应用的探索。他们发现碲烯具有优异的力学和热电特性、较强的铁电性、压电效应、量子霍尔效应、显著的非线性光学等特性。

第三,碲烯的性能调控。采用应力、缺陷、边界和异质结等方式可实现对碲烯的性能调控。

未来,仍需在以下方面加强研究:1. 理论设计更多的碲烯结构并探索其优异特性;2.研究实验上已成功制备的碲烯相的功能化;3.制备高质量、大尺寸且能批量生产的单层碲烯。

Tellurene: an elemental 2D monolayer material beyond its bulk phases without van der Waals layered structures

Xiaolin Cai, Xiaoyu Han, Chunxiang Zhao, Chunyao Niu, Yu Jia

J. Semicond. 2020, 41(8): 081002

doi: 10.1088/1674-4926/41/8/081002

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/41/8/081002?pageType=en



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