东北师大刘益春&杨国春J. Am. Chem. Soc. : 具有直接带隙和各向异性载流子迁移率的二维PC6材料

【引言】

石墨烯和磷烯是两种具有不同结构和奇特性质的二维材料，其性质分别源于石墨烯中的sp²键和磷烯中的非平面sp³键。碳或磷原子的三配位构型有利于平面结构的形成。因此，探索是否有可能形成能够使石墨烯和磷烯优势互补的稳定磷化硅(PC)单层是十分有意义的。实际上，从理论上已经提出了几种表现出金属、半金属和直接/间接带隙半导体特征的PC单层。多种不同结构的出现可归因于sp²和sp³键之间的竞争。随后，通过将碳原子掺杂到磷烯中的实验证实了预测的α₁-PC相。值得注意的是，含有少层PC的 FET具有高达1995 cm²·V^-1·s^-1的空穴迁移率，与理论计算一致。此外，由少层PC制成的红外光电晶体管表现出良好的响应性和探测性能。考虑到P和C原子之间的电子接受能力、不同的P-C构型以及其化合物中的强P-C键，很有可能形成具有优越性能的二维 P_xC_y材料。

【成果简介】

近日，东北师范大学刘益春教授、杨国春教授(共同通讯作者)等利用第一性原理无偏结构搜索计算探索具有功能特性的新型类石墨烯PC₆单层，并在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“Two-Dimensional PC₆ with Direct-Band Gap and Anisotropic Carrier Mobility”的研究论文。PC₆单层是直接带隙半导体，带隙值为0.84 eV，具有极高的本征导电性和各向异性特征(即沿扶手椅链方向的电子迁移率为2.94 × 10⁵ cm²·V^-1·s^-1，而沿“Z”字形链方向的空穴迁移率达到1.64 × 10⁵ cm²·V^-1·s^-1)，与石墨烯相当。另一方面，PC₆在300至2000 nm的宽带中具有高吸收系数(10⁵ cm^-1)。另外，其在5 %的双轴应变以内仍可保持直接带隙特征。上述优越性质使预测的PC₆单层有望在电子和光伏器件中得到应用。

【图文简介】
图1 PC₆单层的原子结构

a, b)预测PC₆单层的顶视图和侧视图，黑色虚线表示晶胞；
c) PC6单层中的基本构筑单元(P₆C₁₈)；
d, f, g) PC₆单层的电子局域函数(ELF)图像，PC₆中C₆环中的化学键与石墨烯(d和e)中的化学键相同，并且在P原子周围出现孤电子对(g)；
e) 石墨烯的电子局域函数(ELF)图像。

图2 PC₆单层的能带结构

a) 用HSE06方法计算PC₆单层的电子能带结构，水平虚线表示费米能级；
b) C₆环中的C原子和PC₃单元中的P和C原子的PDOS；
c,d) VBM分解电荷密度的顶视图和侧视图；
e,f) CBM分解电荷密度的顶视图和侧视图。

图3 PC₆单层的面内吸收系数

BSE方法计算的PC₆单层的面内吸收系数，黄色背景为参考的太阳光谱辐射。便于比较，石墨烯、二硫化钼、磷烯、PC单层和体相硅的吸收谱也包含在内。

【小结】

综上所述，作者应用第一性原理集群智能结构搜索计算来预测迄今尚未发现的褶皱类石墨烯半导体PC₆单层，其直接带隙为0.84 eV，具有高载流子迁移率和各向异性特征，可有效地随应变调节。由于其独特的键排列(即C-C sp²和P-C sp³杂化)，PC₆单层表现出高内聚能和出色的热稳定性，为其实验合成提供了很高的可能性。上述优越性质使预测的PC₆单层有望在光电子器件中得到应用。

文献链接：Two-Dimensional PC₆ with Direct-Band Gap and Anisotropic Carrier Mobility (J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b11350)

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