Nature Electronics：二维C3N能带调控技术加速智能电子时代的到来

背景介绍

以碳纳米材料为基础的电子学研究一直是学术界和工业界关注的热点。然而，碳基电子学的广泛应用仍然受到巨大的技术挑战的限制。例如，基于半导体碳纳米管的场效应晶体管(FET)已经得到了广泛的探索，因为这种材料具有中等大小的带隙。然而，纳米管通常是由不同手性和直径的金属管和半导体管混合合成的，如何控制手性和直径(以及相关的电子带隙)仍然是一个挑战。石墨烯等碳材料由于具有高机械强度、电导率和导热性等特性，在电子器件的开发中具有潜在用途。石墨烯在低温下的载流子迁移率超过2 × 10⁵ cm²V⁻¹s⁻¹，因此在高速晶体管中也是一种很有前途的材料。然而，它不适合作为FET的沟道材料，因为它没有带隙，沟道是FET正常工作的先决条件。通过将石墨烯绘制成窄带，已经引入了高达400 meV的带隙，但制造过程仍面临重大挑战，载流子迁移率大大低于典型的石墨烯。

调整石墨烯电子性质的一个有前途的方法是用氮原子取代碳原子。这同时导致石墨烯的带隙打开，并转变为n型半导体。然而，形成高度规则的二维(2D)碳氮化合物晶体结构是困难的，这使得大多数合成的碳氮化合物薄膜不适合纳米电子应用。晶体C₃N是一种二维碳基半导体，由均匀分布的碳原子和氮原子组成，呈石墨烯状结构，几十年来一直被认为是一种稳定的二维半导体材料。最近，晶体C₃N被制造出来，并显示出出色的机械和电子性能

通过层间范德华(vdW)耦合来设计二维半导体的光学和传输特性是二维电子学发展的关键。层间相互作用可以通过两种主要方法进行控制:设计层间叠加结构或应用外部场。据报道，大多数二维半导体(包括过渡金属二卤族(TMDs)、黑磷(BP)和硒化铟)的禁带随厚度的增加而减小。另外一个自由度是相邻层之间的扭曲角度，可以使用转移方法或原子力显微镜(AFM)尖端操作来实现。具有不同堆叠模式的二维半导体层——包括MoS₂、WSe₂和黑磷——已经证明了可调谐能带和光学特性。层状结构的电子性质也可以通过外加电场实现调制，已经从理论上和实验上报道了双层石墨烯10 nm厚黑磷和双层TMDs (如MoS₂、MoSe₂、MoTe₂和WS₂)的能带调谐。尽管已经观察到各种二维材料的大量带隙调制，但碳基材料显示出有限的带隙调节。

成果简介

随着硅基技术达到绝对极限，华东师范大学，澳洲昆士兰大学，上海微系统与信息技术研究所，中国科学院大学，苏州大学，澳门科技大学，宁波大学联合研究小组设计的一种材料可能预示着下一代电子产品将拥有更大的内存、更快的速度和更先进的功能。这种碳基材料可以促进纳米电子市场的增长，预计到2027年，纳米电子市场的价值将达到1620亿美元。昆士兰大学澳大利亚生物工程与纳米技术研究所(AIBN)和化学与分子生物科学学院(SCMB)的Debra Bernhardt教授说，潜在的应用包括电信、自动接入系统和医疗设备。

联合研究小组设计了一种材料，将氮原子包含在两层蜂窝状石墨烯中，然后对这两层进行了移动和扭曲实验。这种材料——C3N双层材料——有潜力扩展纳米电子学的能力，在更小的区域实现更多的功能。改变这些层的排列方式，就可以为不同的设备量身定制电流，这在石墨烯中是不可能实现的。

Bernhardt 教授认为新的结构使各种电子元件的生产成为可能，这些元件可以组合在一起，生产出需求和功能多样的电子产品，如冰箱和智能手表。它结合了理论预测和实验研究，开发了新设备，可用于许多应用，如计算机存储和柔性电子。这项研究是重要的一步，但还需要做更多的工作，以更容易地以更低的成本生产这种材料。

图文解析

图1. 双层C₃N的堆垛和带隙。

a, AA, AA '，AB, AB '叠加的C₃N单层和C₃N双层示意图。

b, 扭曲角为θ的C₃N双分子层的原理图。

c, 双层C₃N的结合能(黑色方块)和带隙(红色圆圈)与扭曲角的关系。

图2. AA, AA '， AB, AB '堆垛C₃N双层的能带结构和部分电荷分布。

a, AA, AA '，AB和AB '堆垛的单层和双层C3N的能带结构和DOS。

b, AA, AA '，AB和AB '堆垛的C3N单层和双层的CBM和VBM的部分电荷密度(俯视图)。

图3. C₃N双层结构

a,b, HAADF-STEM图像(a)和AA '堆垛的C₃N双层几何结构(b)。

图4. 外加电场诱导的C₃N双层带隙工程。

a，外电场作用下CBM和VBM的电荷密度分离。

b, AB '叠加的C₃N双层在不同固定底栅电压(V_b)下的电阻随顶栅电压(V_t)变化的关系。

c，实验测量的(红点)和DFT计算的能带隙的与平均电位移场(DAV)的关系。

d, 在不同的应用位移场D_AV，C₃N双层在CNPs (δD = 0)处的gate-induced吸收光谱。

小结

C₃N双层的带隙可以通过控制叠加顺序或外加电场的作用而得到有效的调制。利用DFT计算方法，比较了具有4种对称(AA, AA'，AB和AB')叠加构型和5种不同扭曲角度的非对称结构的单层C₃N和双层C₃N的几何结构、能量稳定性和电子性质。计算和实验表明，AA'和AB'堆垛的双层比分离的单层和AA和AB堆垛的双层在能量上更有利。相比之下，AA' (0.30 eV)堆垛的C₃N双层的禁带比AB' (0.89 eV)小得多，两者都比单层(1.23 eV)小得多。VBM和CBM中p_z轨道的层间强耦合解释了导致禁带减小的物理机制。理论分析还表明，外加垂直电场使AB'堆垛的C₃N层的带隙减小。在FET器件中对C₃N双层样品进行了实验，并利用红外显微光谱技术证实了C₃N中叠加诱导和电场诱导的带隙调制。在1.4 V nm⁻¹的外加电场作用下，AB'层的带隙调制变化为0.6 eV。广泛可调谐的带隙，以及高稳定性、大载流子迁移率和高开/关比的组合，使C₃N双层成为碳基FET以及其他电子和光电器件的有前途的材料。

文献链接：Bandgap engineering of two-dimensional C3N bilayers，Nature Electronics，2021，DOI：10.1038/s41928-021-00602-z.

本文由纳米小白供稿。