物質學院薛加民、郭艷峰課題組在新型窄帶隙二維材料方面的研究取得重要進展

ON2019-09-11CATEGORY科研進展

近日,知名學術雜志《ACS Nano》在線發表了由上??萍即髮W物質學院薛加民、郭艷峰以及上海技術物理研究所胡偉達課題組合作完成的研究論文,題為Nb2SiTe4:A Stable Narrow-Gap Two-Dimensional Material with Ambipolar Transport and Mid-Infrared Response”,報道了他們在新型窄帶隙二維材料方面所取得的重要研究進展。

窄帶隙二維材料具有柵極可調控的載流子類型以及對紅外光譜的響應,因此具有很高的研究和應用價值。然而,目前絕大部分已發現的二維材料都具有1 eV以上的較寬帶隙,在電學輸運中,往往只能實現單一載流子類型和較短波長的響應。少數幾種具有窄帶隙的二維材料,如黑磷等,在大氣環境下很容易和水氧發生反應而分解。因此,獲得新型穩定的窄帶隙材料是當前研究的一個難點。

薛加民、郭艷峰和胡偉達課題組通過合作研究發現,一種三元二維材料Nb2SiTe4(晶格結構如圖一中插圖所示)具有合適的帶隙(~ 0.4 eV)。通過制備少層Nb2SiTe4的場效應管器件,他們發現其載流子類型可以通過背柵從空穴導電連續調制為電子導電,并且兩種載流子的導電能力相當(如圖一所示)。這為新型可原位調控摻雜類型的器件提供了新的材料體系。

圖一Nb2SiTe4場效應管載流子類型受背柵電壓Vg的調控

此外,由于其帶隙位于中紅外波段,Nb2SiTe4也表現出了不俗的中紅外探測能力。對532 nm和3.1 μm的電磁波的響應如圖二所示。Nb2SiTe4還表現出較好的穩定性優點。暴露在大氣環境中10天之后,載流子遷移率僅下降40%左右。而其他少數幾種窄帶隙二維材料在空氣中存放幾小時就會完全失去電學性能。

圖二:少層Nb2SiTe4532 nm波長的可見光和3.1 μm中紅外的響應

圖三:Nb2SiTe4在大氣環境中表現出較好的穩定性

該工作為二維材料的研究領域提供了一種新的材料選擇,論文獲得了審稿人的高度評價,認為這個材料的發現將會啟發更多相關的基礎和應用研究。

   薛加民課題組研究生趙明星和郭艷峰課題組研究生夏威為本文共同第一作者。薛加民教授、郭艷峰教授和上海技術物理研究所胡偉達研究員為本文通訊作者。該工作獲得了國家自然科學基金、上海市浦江人才計劃和上??萍即髮W經費的大力支持。器件加工與材料測量獲得了上??萍即髮W電鏡中心以及公共測試平臺的支持。

論文鏈接:http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b05080