2019年1月4日
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物理学院李绍春课题组首次制备出大面积具有黑磷结构的Sb单层

最近,物理学院的李少春教授首先通过分子束外延技术开发出大面积高质量的黑磷结构(α相)单层Sb。通过扫描隧道显微镜和中国科学技术大学对结构特性进行了表征。物理系朱文光教授合作进行了第一性原理计算。该作品于2018年12月5日在线发表于Advanced Materials(https://doi.org/10.1002/adma.201806130),标题为“褶皱蜂窝结构中单层Sb的Van der Waals异质外延生长”,并被选为封条(Bottom) )文章。手机赌博网站物理学院博士生石志强和科技大学博士生李惠萍是该论文的共同第一作者;李少春教授和朱文光教授是这项工作的合着者。

由于其在光电器件领域的潜在应用价值,近年来单层二维材料的研究成为凝聚态领域的研究热点。黑磷因其独特的特性而备受关注。但是,黑磷在空气中不稳定,容易分解。人们一直在寻找与黑磷结构和性质相似但化学稳定的替代材料。由于As和Sb与P在同一主族中,如果存在黑磷结构,则它可以具有相似的性质并且化学性质可以更稳定。迄今为止,通过机械剥离获得单层黑磷,并且实验上不可能直接生长单层黑磷或其他类似结构的元素材料。尽管已经进行了大量的计算工作来预测黑磷结构(α相)的单层Sb,但是尚未通过实验合成高质量的单层α相Sb。其中一个重要原因是α相的Sb本体材料在自然界中不存在。

该研究小组通过分子束外延在WTe2衬底上成功制备了微米级高质量单层α相Sb。单层α相Sb的成功制备得益于巧妙地使用基板的完美晶格匹配。扫描隧道显微镜(光谱)测量显示多层Sb膜仍然可以保持Alf相的结构。利用扫描隧道显微镜的准粒子干涉测量技术,该组描述了单层Sb的能带结构,并在费米面发现了线性色散关系。实验结果与第一性原理计算吻合良好。实验还发现,α相Sb膜具有非常好的导电性。令人惊讶的是,单层α相Sb非常稳定并且可以存在于空气中而不会被氧化或分解。因此,预计该α相的Sb单层材料在未来的光伏领域具有应用价值,需要进一步研究更多新的性能。

图1: Afla相Sb单层和在WTe2衬底上生长的多层。 (a)WTe2上Sb外延的示意图; (b)扫描隧道显微镜; (c,d)原子分辨率形貌(e)从单层到多层Sb的dI/dV光谱; (f)Sb膜的拉曼光谱测量。

图2:单层Sb薄膜的准粒子干涉实验。 (a)实验测量结果; (b)理论计算的等电表面; (c)理论模拟JDOS图; (d,e)通过实验测量获得费米表面附近的能量色散关系。

感谢物理学院的陈彦斌教授提供WTe2基板样品和电输运特性的测量。感谢物理学院的高立波教授提供原子力显微镜和拉曼测量。第一原理计算由中国科学技术大学朱文光教授完成。工作先后获得固体微结构物理国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,双层建设,科技部重大科研计划,国家自然科学基金,江苏省双人才计划和六大人才高峰。为这些项目提供资金。

(科学与技术学院)