我校富克斯教授团队在二维材料制备方面取得重要进展

来源:材料科学与工程学院格莱特发布时间:2021-02-28点击:135

近日,富克斯教授团队牛天超教授与北京航空航天大学周苗教授合作,以单层氧化铜作为衬底,在磷烯(ACS Nano, 2020, DOI:10.1021/acsnano.9b09588)和锑烯(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201906873)的制备、生长机理研究与结构性质调控等方面取得重要进展。博士生周德春(南理工),硕士生司楠(南理工),孟庆玲(北航)为论文的共同第一作者,牛天超教授和周苗教授为共同通讯作者。

富克斯教授团队牛天超教授致力于第五主族单元素二维材料的研究,基于分子束外延和扫描隧道显微技术,系统研究了贵金属衬底对第五主族生长模式的作用(Adv. Mater. Inter., 2019, DOI:10.1002/admi.201901050),探讨了元素性质与衬底结构对各类单元素二维材料生长的影响因素(Nano Today, 2019, DOI:10.1016/j.nantod.2019.100805),并且拓展到第四主族锡烯(J. Phys. Chem. Lett., 2020, DOI:10.1021/acs.jpclett.9b03538)和第六主族碲烯(Appl. Phys. Lett., 2020, DOI: 10.1063/1.5140376)。

具有固定晶面的金属氧化物表面在模型催化领域被广泛研究,同时也作为一类重要的半导体和介电材料应用到电学器件中。它们的制备简单,易于获得大面积的均匀表面。其中,氧化铜因其优异的电学、光学以及化学性质受到了关注。氧化铜丰富且可调控的表面结构对于研究二维材料的生长机理十分有利。

以氧化铜为衬底,通过MBE的方法,制备出了高质量的锑烯和磷烯,利用扫描隧道显微镜结合理论计算揭示了两种二维材料的生长机理,并研究了在应力作用下两种二维材料的电学性质。

单层锑烯为具有间接带隙的半导体材料,当晶格受到应力作用时,锑烯的带隙大小会发生变化并伴随着间接带隙向直接带隙的转变,这使得锑烯在光电器件中有着潜在的应用。在氧化铜表面上沉积Sb后,随着退火温度和覆盖率的不断提高,Sb在表面经历了从二聚体链到堆积点阵并最终形成具有蜂窝结构的单层锑烯的过程,呈现一种析出式的外延生长模式。Sb与衬底原子间较小的电子局域函数值表明其较弱的界面相互作用(图1)。

               图1a-c0.7单层Sb覆盖率下,485K温度下退火后得到的三相共存区域;

                    d-e:规则单层锑烯的表面形貌与原子分辨STM图;fELF的侧视图

 

为进一步验证该方法的普适性,团队在氧化铜表面上沉积磷元素,成功制备出了晶格常数为4.2Å的平面磷烯。相比于具有褶皱结构的黑磷和蓝磷的半导体性,平面磷烯显现出不同的电学性质。结合理论计算的轨道和电子结构,具有平面sp2轨道的磷烯为金属性,dI/dV谱显示费米能级处非零的态密度也验证了这一结果(图2)。

        图2a:不同Cu3O2表面制备的平面磷烯的表面形貌;b:平面磷烯的sp2杂化和部分电荷密度;

                          c:平面磷烯的电子结构;d:样品表面不同位置的STS

 

文章信息:Tianchao Niu, Qingling Meng, Dechun Zhou, Nan Si, Shuwei Zhai, Xiamin Hao, Miao Zhou, and Harald Fuchs; Large-Scale Synthesis of Strain-Tunable Semiconducting Antimonene on Copper Oxide; Adv. Mater.2019, 1906873, DOI: 10.1002/adma.201906873.

Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201906873?af=R

 

Dechun Zhou, Qingling Meng, Nan Si, Xiong Zhou, Shuwei Zhai, Qin Tang, Qingmin Ji, Miao Zhou, Tianchao Niu, Harald Fuchs; Epitaxial Growth of Flat, Metallic Monolayer Phosphorene on Metal Oxide; ACS Nano, 2020, DOI:10.1021/acsnano.9b09588.

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09588

 

研究团队表示,除氧化铜以外,其它具有较宽带隙的半导体氧化物均可以作为潜在的衬底来直接生长各类单元素二维材料。特别是在氧化物介电材料上直接制备二维材料可以避免材料的转移,从而实现器件的高效和高重复率的制备。



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