北航JACS：三磷化铟单层的可调磁性及其优异的太阳光吸收性能

【引言】

自发现石墨烯以来，原子级单层二维（2D）纳米材料因其特殊的性能和广阔的应用前景而倍受关注。二维纳米材料的类别也在不断扩大，包括硅、锗、磷同素异形体和过渡金属硫化物。目前，它们在场效应晶体管、发光器件、光伏太阳能电池和光催化剂中的潜在应用已得到深入研究。然而，2D晶体的诱导控制磁性仍然是一个挑战。对于自旋电子器件而言，拥有可调磁性和半金属性的新型2D材料仍是急需的。此外，为有效用于光伏和光电子领域，仍在寻求具有合适带隙和光学性质的2D晶体，这要求材料拥有覆盖整个可见光波长且足够大的光吸收系数。为此，寻找具有光伏太阳能电池所需的电子和光学性能的新型二维半导体具有非常重要的意义。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学孙志梅教授（通讯作者）团队在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“Tunable Magnetism and Extraordinary Sunlight Absorbance in Indium TriphosphideMonolayer”的文章。在这篇文章中，研究工作者通过第一性原理计算等方法预测了一种新型半导体2D材料——三磷化铟（InP₃）单层并系统研究了其相关性能。2D InP₃晶体显示出高稳定性和实验合成的可能性。它具有1.14eV的间接带隙和高电子迁移率，并可以通过施加应变来调控。研究表明，InP₃单层在空穴掺杂或存在缺陷的情况下显示出可调磁性和半金属性，这归因于其电子结构中的类Mexican-hat能带和van Hove奇点。通过电子掺杂，2D InP₃还会发生半导体-金属转变。此外，单层InP₃在整个可见光光谱范围内表现出超强的伴有激子效应的光学吸收性能。这些研究表明，2D InP₃有可能在未来诸多技术中得到应用，尤其是在电子、自旋电子和光伏等器件中。

【图文导读】

图一：InP₃的晶体结构

(a)沿c轴的2×2平面层观测到的俯视图。

(b)沿b轴的2×1平面层观测到的侧视图。

(c)计算得到的块状InP₃的能带结构。费米能级设置为0 eV。

图二：InP₃单层的电子结构

(a)InP₃单层的能带结构。0 eV处的虚线表示费米能量。

(b)InP₃单层的态密度。

(c)InP₃单层的电子局域密度函数。

(d)使用HSE06计算得到的各种应变下其正交超胞的电子带隙。

图三：InP₃单层的磁性特征

(a)InP₃单层的磁矩和磁能与载流子密度的函数关系。

(b)空穴浓度为1.25×10¹⁴ cm^-2的自旋投影态密度。插图描绘了相应的自旋电荷密度等值面。

图四：InP₃单层的光学性能

与可见光波长（380-750 nm）的本征硅的实验光谱相比，用DFT和TDHF计算得到的2D InP₃单层的平面（xx = yy）吸收系数。黑条表示振荡强度（右y轴）。灰色背景表示参考太阳光谱辐照度。

图五：InP₃单层的剥离性能

计算得到的石墨和InP₃的剥离能与分离距离d的函数关系。d₀表示晶体中相邻层之间的范德华间隙。

图六：InP₃单层的稳定性

(a)InP₃单层的声子色散曲线。

(b)在0-10 ps的AIMD模拟中，单层InP₃的结构及总能量的演变。

【小结】

在该文章中，作者运用计算方法在理论上预测了一种新的二维半导体InP₃，它显示出各种特殊的电子特性。单层InP₃具有弱间接带隙（1.14 eV）并且表现出高电子迁移率（1919 cm²V^-1s^-1）。研究表明，2D InP₃晶体在其带结构中显示出电子不稳定性，即费米能级附近有类Mexican-hat能带和van Hove奇点，这导致了压缩和拉伸应变对其电子结构的非单调响应。由于这些带特征，可以通过p型掺杂（空穴浓度从5.04×10¹³到1.72×10¹⁴ cm^-2）或引入缺陷（用Ge取代P原子）来诱导和调节铁磁和半金属态。在InP₃单层电子或高浓度空穴掺杂下，会发生半导体-金属转变。此外，InP₃单层具有超强的光吸收性能（10⁵ cm^-1），在整个可见光太阳光谱中具有显着的激子效应，其性能优于硅，与单层MoS₂相当。最后，InP₃单层显示出良好的晶格动力学和热稳定性，并且有望通过剥离由其层状晶体得到。该工作表明，二维InP₃晶体是可用于纳米级电子、光伏和自旋电子等方面的潜在候选材料。

文献链接：Tunable Magnetism and Extraordinary Sunlight Absorbance in Indium Triphosphide Monolayer（J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05133）

本文的第一及通讯作者单位皆为北京航空航天大学，第一作者为缪奶华副教授，通讯作者为孙志梅教授。缪奶华副教授于2015年获得比利时列日大学物理学博士学位，2016年入选北航“卓越百人”计划，长期从事材料物性的第一性原理计算和分子动力学模拟等，相关工作发表在JACS，ACS Nano, Nano Energy，APL，JPCC等期刊上。孙志梅教授多年来一直从事计算材料学、材料制备与表征、材料结构与性能关系等方面的研究工作，在相变/阻变存储材料及二维材料的设计、模拟和制备表征研究中取得了显著进展，在PNAS，Phys. Rev. Lett.，JACS，Nano Lett.，ACS Nano，Appl.Phys. Lett.，Phys. Rev. B，Acta. Mater.，Nano Energy等SCI期刊上发表论文140余篇。

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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Zhonglu Guo et.al., J. Mater. Chem. A, 2016,  4, 11446-11452.

Chen Si et.al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7 (31), pp 17510–17515.