上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王宏達(dá)課題組與于奕課題組合作，運(yùn)用介電襯底誘導(dǎo)的氣相外延法技術(shù)，成功制備出類(lèi)黑磷結(jié)構(gòu)（屬A17晶相）、尺寸超過(guò)10微米的多層銻烯納米片，并系統(tǒng)揭示了其獨(dú)特的p型半導(dǎo)體特性、拉曼振動(dòng)特征及其在空氣中的穩(wěn)定性機(jī)制。該成果近日發(fā)表于納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際期刊ACS Nano。

黑磷烯作為典型的各向異性二維單層材料，其褶皺蜂窩結(jié)構(gòu)中3p軌道沿面內(nèi)鋸齒方向與扶手椅方向的雜化存在顯著差異，賦予其電學(xué)與熱學(xué)傳導(dǎo)各向異性，該材料早在1953年即證實(shí)具有高載流子遷移率，是一種優(yōu)異的納米電子材料。銻作為同屬第Ⅴ主族元素，A17相黑銻烯具備類(lèi)似的各向異性特征，其5p軌道雜化引入強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)，理論上具有更優(yōu)越的電學(xué)輸運(yùn)性能，被認(rèn)為是未來(lái)電子與能源器件的理想候選之一。然而，由于A(yíng)17相黑銻烯晶體是一種亞穩(wěn)態(tài)，其可控外延生長(zhǎng)始終面臨挑戰(zhàn)。

圖1. 亞穩(wěn)態(tài)A17相多層黑銻烯晶體結(jié)構(gòu)。

本研究利用云母襯底的絕緣性質(zhì)，弱化范德華異質(zhì)界面的相互作用，驗(yàn)證了亞穩(wěn)態(tài)A17相黑銻烯的單晶外延生長(zhǎng)可行性。研究結(jié)合透射電鏡、拉曼光譜與場(chǎng)效應(yīng)電學(xué)測(cè)量，證實(shí)該材料在5–15層范圍內(nèi)仍保持優(yōu)異晶體穩(wěn)定性，并揭示了其價(jià)帶空穴主導(dǎo)的電學(xué)輸運(yùn)機(jī)制。該工作為理解黑銻烯結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)為第Ⅴ主族A17相電子材料的探索提供了可靠的實(shí)驗(yàn)研究方法。

圖2. 背柵場(chǎng)效應(yīng)器件驗(yàn)證多層黑銻烯的電學(xué)性能。

王宏達(dá)課題組博士生任義元、博士生張卓，以及于奕課題組博士畢業(yè)生盧愿為論文共同第一作者，博士畢業(yè)生吳楠、博士生唐銀亮和于奕教授為共同作者，王宏達(dá)教授為通訊作者。研究在王宏達(dá)教授和于奕教授的共同指導(dǎo)下完成，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。

圖3. 團(tuán)隊(duì)部分人員（左起：王宏達(dá)教授，博士生任義元，博士生張卓）

論文標(biāo)題：Multilayer A17 Black Antimonene via van der Waals Epitaxy

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c11736