Nano Letters.：锑烯氧化物-一种带隙可调的直接带隙半导体和新奇的拓扑绝缘体

【引言】

自石墨烯发现以来，二维材料以其独特的性质吸引了研究人员的广泛关注。鉴于石墨烯的零带隙缺陷，一系列新型二维半导体被不断发掘，比如最近日益受到关注的第五主族。黑磷具有高的迁移率和恰当的带隙，是一种极具应用潜力的二维半导体材料。然而，黑磷制备比较困难，而且黑磷在空气中极其不稳定，非常容易发生氧化，这些严重限制了二维黑磷的研究与应用。因此，研究人员将目光投到了其他第五主族元素上。其中比较有代表性的就是锑烯，2015年，张胜利等人首次从理论上提出了新型第五主族二维材料锑烯，理论研究结果表明，当锑从块体减薄至单原子层时，其能带结构会发生突变，导致其由半金属转变为半导体，而且这类新型二维材料均具有极高的稳定性。近来，单层或者少层的锑烯已经成功被机械剥离、液体剥离、气相沉积等技术成功制得，其相关性质也得到了比较好的表征，其显示锑烯在电子、光电子等领域有巨大应用前景。但是，锑烯是一种间接带隙半导体，这大大限制了锑烯在LED、光伏器件等领域的应用，而且锑烯的载流子迁移率也不如二维黑磷。因此，让锑烯具有合适的带隙和更高的载流子迁移率，是现在厄待解决的一个问题。

【成果简介】

近日，来自南京理工大学的曾海波（通讯作者）用理论计算对锑烯氧化物进行了充分研究，发现其是一种带隙可调的直接带隙半导体和新奇的拓扑绝缘体，大大推动了锑烯材料的研究。

研究人员用第一原理性计算对不同含氧量的锑烯氧化进行研究，发现所有的锑烯氧化物都是直接带隙半导体，其带隙从0到2.28eV不等，随着氧含量的增加，其带隙不断降低。同时，所有锑烯氧化物有效电子质量都接近于单层或少层的二维黑磷 (m_e^ΓX = 0.15−0.18m_o)，比单层二硫化钼的有效电子质量 (m_e = 0.60m_o) 大约小了四倍。这说明锑烯氧化物的电子迁移率与黑磷类似，高于单层二硫化钼。更有趣的是，其中一种锑烯氧化物 (18Sb−18O) 是二维拓扑绝缘体，其具有相当大的总能带隙（高达177me），而且其拥有非凡的Z₂拓扑不变量和拓扑边缘状态。

研究人员的工作为第五主族二维材料带来了新的活力，丰富了这个领域具有应用前景的材料，突出了二维半导体作为超薄材料在未来柔性电子和光电器件领域的应用潜力。

【图文导读】

图1  二维原始锑烯及其能带结构，锑烯氧化物

（a）成功制备的超薄锑烯TEM图。

（b）PBE 和 HSE06下计算得到的原始蜂窝状间接带隙电子能带结构图。

（c）锑烯与氧杂化过程示意图。

（d）锑烯氧化物示意图。

图2  不同氧比例的锑烯氧化物电子结构演变

（a）不同氧浓度的锑烯氧化物的电子能带结构图。锑烯氧化物都显示直接带隙能带结构，满带能量最大值和导带能量最小值都位于Γ高对称点。

（b）锑烯氧化物的局部能态密度。

（c）在0.85能级下，锑烯氧化物电子局域函数等值面。红色区域代表电子的累积。

图3  锑烯氧化物与其他典型二维半导体关键参数对比

（a）锑烯氧化物(18Sb−18O) ，黑磷二维材料，单层硫化钼电子能带结构及其拟合的有效质量。

（b）锑烯氧化物有效载流子质量的变化。其有效载流子质量的变化与一定层数的黑磷二维材料相似。

图4  18Sb−18O锑烯氧化物的拓扑绝缘相

（a）18Sb−18O锑烯氧化物在PBE下计算结果，有SOC(红线)和没有SOC（蓝线）电子能带结构图。

（b）在PBE计算下, 18Sb−18O纳米带的能带结构。在（a,b）图中水平的虚线代表的是费米能级。

（c）Γ点处，对18Sb−O锑烯氧化物轨道估算示意图。按 (I)化学键 (II)晶格场 (III)SOC的顺序。

（d）Γ点处，对18Sb−18烯氧化物轨道估算示意图。按 (I)化学键 (II)晶格场 (III)SOC的顺序。

图5   锑烯氧化物的稳定性

（a）单层18Sb−18O声子带分布图。

（b）MD模拟在300K温度下18Sb−18O纳米片选择的快照。

【小结】

研究人员对不同氧浓度的锑烯氧化物材料进行了计算理论研究，发现锑烯氧化物材料都是直接带隙的半导体，而且带隙随着氧浓度的变化而变化，是可调的。而且锑烯氧化物材料具有较高的载流子迁移数，媲美黑磷二维材料。锑烯氧化物材料的理论研究表明，其可以很好解决现在锑烯材料应用存在的一些问题。另外，锑烯氧化物 (18Sb−18O) 是二维拓扑绝缘体，其具有相当大的总能带隙（高达177me），而且其拥有很好的Z₂拓扑不变量和拓扑边缘状态。研究人员的工作对开发更好的二维半导体材料有很好的指导作用，也推动了锑烯相关的理论研究。

文献链接：Antimonene Oxides: Emerging Tunable Direct Bandgap Semiconductor and Novel Topological Insulator（Nano letters,2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00297）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

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