新型二维半导体材料家族——铜族硫族化合物

2021年6月7日

二维半导体材料因其优异的特性和广泛的应用前景而受到众多研究领域的关注。随着分子束外延、湿法化学合成等自下而上制备方法的发展以及调控手段的提高，越来越多的新型二维半导体材料被科学家们发现并制备。2020年年初，中国科学院物理研究所高鸿钧院士课题组与杜世萱研究员课题组合作的实验－理论结合的工作，报道了体相非层状的新型二维半导体材料Cu₂Se和Cu₂Te单层的成功制备。Cu₂Se和Cu₂Te均为类似三明治的结构，即Se-Cu-Cu-Cu-Cu-Se六个原子层厚度的单层。这两种材料在空气中表现出很好的稳定性，并且Cu₂Se还具有热驱动相变特性。同时，Cu₂S和Ag₂S单层材料在理论计算方面也取得了一些重要进展。2018年，三个原子层厚度的四方结构Cu₂S单层被预言可以稳定存在，该材料是具有高迁移率和抗氧化性的半导体材料。2019年，锯齿形层状结构的Ag₂S单层也被预言可以稳定存在，该材料是一种平面内和平面外都具有较大的负泊松比的半导体材料。从现有的报道来看，部分二维铜族硫族化合物M₂X（M=Cu/Ag/Au, X=S/Se/Te）有着丰富的新奇物性和潜在应用，值得人们关注。但由于铜族硫族化合物M₂X的体相为非层状结构，其二维材料的结构和物性无法根据其体相预测，因此需要更多的理论计算研究去更好地预测这类材料并尽可能的给予实验一定的指导。

近日，昆明理工大学的高蕾博士与中国科学院物理研究所的张艳芳博士和杜世萱研究员合作，利用第一性原理计算，系统地研究了新型二维半导体材料——铜族硫族化合物的原子结构、能带结构、输运特性、以及光学性质等。对于不同元素组合的二维铜族硫族化合物M₂X，分别考虑了如图1所示的九种可能构型。通过对比能量、计算声子谱、进行分子动力学模拟等，搜索出了不同元素组合的最稳定相（图2）。由于其体相为非层状结构，通过不同元素组合得到的最稳定的相是存在着较大差异的。我们对于其中最稳定的构型做了进一步的研究，发现这族新型二维铜族硫族化合物M₂X单层带隙的能量范围从0.49 eV到3.76 eV（图3）、室温迁移率最高达10⁴ cm²V^-1s^-1（图4）、吸光度在可见光范围最高达～25%（图5）。这些优异的电学以及光学性质使得该族材料有很好的研究价值，显然该族新型二维铜族硫族化合物M₂X将会成为二维半导体材料研究领域的重要组成部分，有望得到理论和实验的密切关注。

相关工作已被Nano Research接收。该研究受到科技部（2016YFA0202300），国家自然科学基金委（61888102），中国科学院（XDB30000000）的资助。

文章链接：
http://www.thenanoresearch.com/upload/justPDF/3294.pdf

图1.二维铜族硫族化合物M₂X的九种可能构型

图2.最稳定相的二维铜族硫族化合物M₂X

图3.最稳定二维铜族硫族化合物M₂X的能带和带边

图4.最稳定二维铜族硫族化合物M₂X的室温载流子迁移率

图5.最稳定二维铜族硫族化合物M₂X的吸光度能谱