石墨烯的研究打開了發(fā)掘更多二維材料的大門。到目前為止，已有上百種二維材料被人們所發(fā)現(xiàn)，包括第四主族單質(zhì)、第三和第五主族構(gòu)成的二元化合物、金屬硫族化合物、復(fù)合氧化物等。這些發(fā)現(xiàn)不僅打破了長(zhǎng)久以來二維晶體無法在自然界中穩(wěn)定存在的預(yù)言，其自身的優(yōu)異性質(zhì)也使得它們呈現(xiàn)出許多新奇的物理現(xiàn)象和電子性質(zhì)，例如半整數(shù)、分?jǐn)?shù)和分形量子霍爾效應(yīng)、高遷移率、能帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變等，在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中都極具潛力。
IVAVIB單晶二維材料MX (M= Ge, Sn; X= S, Se)由于具有極高的穩(wěn)定性、豐富的蘊(yùn)藏量和環(huán)境友好性，以及從材料結(jié)構(gòu)到性能上與黑磷烯的相似性而受到廣泛關(guān)注?；诘谝恍栽矸椒▽?duì)MX的能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算、對(duì)其從間接帶隙到直接帶隙的臨界層厚、以及基于其C2v對(duì)稱結(jié)構(gòu)的壓電性能理論預(yù)測(cè)等多有報(bào)道。然而，由于該類型材料普遍非常脆，難以直接以傳統(tǒng)的物理撕裂法制備得到單原子層材料。同時(shí)，以化學(xué)合成方法難以獲得較大面積的單原子層（大于1微米）。因此對(duì)IVAVIB單晶二維材料的研究迄今仍然停留在理論預(yù)測(cè)階段。在MX當(dāng)中，GeSe理論上被認(rèn)為是唯一具有直接帶隙的材料，且該材料的光譜范圍預(yù)測(cè)幾乎覆蓋了整個(gè)太陽光光譜，使得這種材料未來在量子光學(xué)、光電探測(cè)、光伏、電學(xué)等領(lǐng)域有非常巨大的應(yīng)用潛力。
針對(duì)這一情況，最近，量子信息技術(shù)中心團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)利用單晶硅表面二氧化硅的隔熱效果和激光減薄方法，可以在一定激光功率密度下不斷地減薄GeSe的層厚，直至單原子層。其減薄機(jī)理是激光在GeSe表層產(chǎn)生高熱，由于GeSe材料本身的層狀特性，難以將熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去，導(dǎo)致層厚被不斷減薄。當(dāng)GeSe的層厚被減薄至單原子層時(shí)，整個(gè)SiO2/Si可以被看做熱沉而無法繼續(xù)減薄?；诖朔椒ǎ瑘F(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)制備出了100微米以上的GeSe單原子層材料。在此基礎(chǔ)上基于熒光譜、拉曼譜等方法研究了GeSe單原子層的原子和能帶結(jié)構(gòu)，并基于第一性原理方法理論印證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，GeSe單原子層的熒光譜非常寬，從可見光波段到近紅外波段發(fā)現(xiàn)了8個(gè)熒光峰，從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變發(fā)生在第三層。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)分別實(shí)驗(yàn)制備了基于GeSe體材料和二維材料的晶體管，其I-V和光反應(yīng)性能表明，二維材料的光敏度是相應(yīng)體材料的3.3倍，同時(shí)二維材料器件的光反應(yīng)度也遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)體材料器件。研究結(jié)果驗(yàn)證了此前的理論預(yù)測(cè)，并獲得了大量新的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。
IVAVIB單晶二維材料的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)于研究該族材料在光學(xué)、電學(xué)和光電領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常重要的意義，從而使得對(duì)該族二維材料的研究從理論預(yù)測(cè)推進(jìn)到了實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的階段。
上述研究成果得到重慶市基礎(chǔ)前沿重大項(xiàng)目（cstc2013jcyjC40001），中科院西部青年學(xué)者A類項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61775214）等資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201704855
Hongquan Zhao*, Yuliang mao*, Xin Mao, Xuan Shi, Congshen Xu, Yuhui Yang, Chunxiang Wang， Shangmin Zhang, Dahua Zhou，Advanced Functional Materials. DOI:10.1002/adfm.201704855. （中科院SCI一區(qū)，IF=12.128）