近日，Im体育官方版app下载精密光谱科学与技术国家重点实验室，中科院上海微系统与信息技术研究所、北京理工大学低维量子结构与器件工信部重点实验室联合其它合作单位，在新型二维半导体材料的基本物性及调控方面取得重要研究进展。通过理论模拟与实验研究的密切协作，该研究发现新型碳基二维半导体材料C3N具有大范围可调带隙、高载流子迁移率，高开关比等性质。研究成果以“Bandgap engineering of two-dimensional C3N bilayers”为题，于6月28日在线发表在《自然电子》（Nature Electronics）上。
随着半导体集成电路的发展，传统硅基晶体管性能正在逐步接近其物理极限，特别是当微电子工业走到8nm技术节点时可能不得不放弃继续使用硅材料作为晶体管核心材料。目前以碳纳米管和石墨烯为代表的碳基纳米材料被公认为是硅最有希望的替代者。现阶段，碳基纳米电子学的发展已经取得了令人可喜的进展，然而大规模产业化仍面临可控性材料加工等技术瓶颈问题。发展新型二维半导体材料可为碳基纳米电子学提供更多的选择。
C3N具有类石墨烯蜂窝状无孔有序结构，在2017年中国科学院上海微系统与信息技术研究所和韩国国立蔚山科学技术院同时报道了该材料的合成。该材料不仅具有与碳纳米管和石墨烯相媲美的电学、光学、热学和力学性能，同时还具有与硅材料接近的半导体带隙。鉴于此，Im体育官方版app下载袁清红团队自2017年开始从理论上探索这一材料在下一代微电子器件中的可能应用前景。
该团队运用物理模型和第一性原理计算相结合的方法，对双层C3N的电子性质及其调控进行了系统的理论研究。发现通过控制双层C3N结构的堆垛方式，可以实现大范围能带宽度调控。与本征带隙为1.23 eV的单层C3N相比，双层C3N的带隙可从1.21 eV大幅度调控至0.3eV（图1b）。该研究揭示了双层结构带隙变化的本质原因是两层C3N之间pz轨道的强耦合导致的费米能级附近的能带劈裂大小可以用价带顶和导带底波函数的重叠数目进行定量计算。其中AA和AA'排列的双层C3N的波函数重叠的数目分别是AB和AB'排列的双层结构的两倍，所以能带劈裂值也为两倍。（图1a）而对于旋转的双层结构，上下层pz轨道的重叠有限，因此其带隙与单层C3N接近。
图1.双层C3N热力学稳定性和电子性质图。a, AA′和AB′双层C3N结构示意图和VBM/CBM的分电荷密度图，其中红色和绿色的椭圆形代表上下层C/C和C/N原子pz轨道的重叠。b, 双层C3N不同堆垛结构的结合能和带隙值。c, 4K下，单层C3N和AA′/AB′双层C3N的开关比和载流子迁移率。具有AA′堆垛的双层C3N结构的d, STM表征的原子分辨图和e, dI/dV谱线测量的带隙值。具有AB′堆垛的双层C3N结构的f, STM表征的原子分辨图和g, dI/dV谱线测量的带隙值。
理论研究的同时，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的杨思维博士成功制备出了AA'及AB'堆垛的双层C3N，并通过扫描隧道谱等实验表征方法证实了上述理论预测。（图1d-g）不同堆垛结构的双层C3N的电子性质呈现显著差异，在4K低温下，AA′和AB′堆垛的双层C3N的电流开关比分别为1.2×103和2.4×106，电子载流子迁移率分别为992 cm2 V−1 s−1和223 cm2 V−1 s−1, 空穴载流子迁移率分别为1202 cm2 V−1 s−1和6220 cm2 V−1 s−1。（图1c）此外，具有AB'堆垛结构的双层C3N对近红外光(1550 nm)具有很好的光响应。双层C3N的这些优异性质使得其在光电器件领域具有非常好的应用前景。
该研究还发现施加外部电场可以有效地调控双层C3N的带隙。理论结果表明，在1.4 V nm-1的外加电场下，AB'堆垛的双层C3N的带隙可减少0.6 eV，基本实现从半导体到金属性的转变。（图2c）双层C3N在外加电场下呈现的显著带隙变化在已有的二维材料中是非常突出的。实验合作团队通过测量不同双门电栅下C3N的电阻（图2b）以及吸收光谱（图2d），得出了与理论预测一致的结论。（图2c）
图2. 外加电场对双层C3N的带隙调控。 a,双层C3N的价带顶和导带底的电荷分布在外加电场下发生变化的示意图。b,在不同的固定底栅电压 (Vb) 下，具有 AB' 堆叠的 C3N 双层结构的电阻与顶栅电压 (Vt) 的变化关系。c,实验测量和理论计算不同平均电位移场(DAV)下双层C3N结构的能隙变化。d,不同的DAV下电中性点(δD=0)处C3N双层结构的栅极诱导吸收光谱。
“这一工作体现了理论模型、第一性原理计算与实验研究的完美结合。”袁清红解释说，“我们从理论模型出发，借助第一性原理的理论计算，并结合多种实验表征手段，发现了双层C3N这一新型碳基半导体材料具有大尺度可调的电子性质。这一研究前后大约持续了五年左右的时间，期间我们对理论和实验之间的结果进行了反复的对比和分析。”
该项研究为双层C3N在电子，光电器件领域的应用奠定了基础，同时也为下一代电子，光电器件材料的研究和应用提供了新思路。论文第一作者为Im体育官方版app下载在读博士生魏文娅，中科院上海微系统所助理研究员杨思维博士，宁波大学副教授王刚博士。通讯作者为Im体育官方版app下载袁清红研究员，中科院上海微系统所丁古巧研究员、苏州大学康振辉教授、昆士兰大学Debra J. Searles院士，北京理工大学的王业亮教授团队提供了STM的表征。相关工作得到国家自然科学基金（21673075，11804353, 11774368），Im体育官方版app下载“青年高层次人才计划（双百计划）”，上海微系统所新微之星项目等项目支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00602-z
图文、来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室 编辑｜彭佳 编审｜吕安琪
