天津大學封偉團隊在帶隙可調的新型鍺硅基半導體二維原子晶體研究上取得突破

近日，天津大學封偉教授團隊在半導體二維原子晶體的可控制備和帶隙調控研究上取得重要突破：在理論計算和結構設計的基礎上，采用-H/-OH封端二元鍺硅烯，首次獲得了具有帶隙可調控的二維層狀鍺硅烷（gersiloxene）。通過精確控制二元配比，實現(xiàn)了二維鍺硅烷的帶隙調控，并探索了其光催化領域的應用價值，為后續(xù)設計新型半導體二維原子晶體提供了重要的研究基礎。相關研究成果在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）上，文章題為“Two-dimensional gersiloxenes with tunable bandgap for photocatalytic H2evolution and CO2photoreduction to CO”（DOI: 10.1038/s41467-020-15262-4）。文章第一作者為天津大學材料學院博士研究生趙付來，通訊作者為封偉教授，共同通訊作者為馮奕鈺教授。

與石墨烯同族元素的二維鍺烯和硅烯半導體晶體，雖然具有極高的理論載流子遷移率和獨特的sp2-sp3雜化鍵，但是精確制備并調控其能帶結構仍然是該領域重要的難點。由于不存在類似于石墨的層狀體相結構，無法通過直接剝離法制備二維鍺烯和硅烯半導體晶體，導致難以實現(xiàn)其層狀結構的精確控制；更為重要的是鍺烯和硅烯的零帶隙特征限制了其在場效應晶體管、光電晶體管和光催化領域的應用。

氫化和合金化是調控二維半導體晶體帶隙結構的兩種重要途徑。近年來研究表明，由于Zintl相的CaGe2和CaSi2中存在著類似于石墨烯的Ge或Si的六元蜂窩狀結構，因此通過Zintl相晶體CaGe2和CaSi2的拓撲化學反應（去除Ca離子），可以直接制備得到氫化的鍺烯和硅烯，即鍺烷（GeH）和硅烷（SiH），但是通過可控摻雜實現(xiàn)鍺烷和硅烷的帶隙調控仍然鮮有報道。針對該難點，封偉團隊通過對CaGe2進行Si摻雜，制備了具有精確配比的Ca(Ge1-xSix)2（x = 0.1-0.9）合金，通過拓撲插層反應實現(xiàn)了-H/-OH封端，獲得了具有一系列不同摻雜比例的蜂窩狀二維鍺硅烷合金。晶體結構模型的理論計算結果表明二維鍺硅烷為直接帶隙半導體材料，其帶隙類型不依賴于層數(shù)和Si摻雜的比例。如圖1所示，通過控制Si元素的摻雜量（x值）可以實現(xiàn)帶隙結構的精確調控，結果顯示二維鍺硅烷的帶隙隨摻雜量的增加而提高，當x從0.1提高到0.9時，二維鍺硅烷的帶隙從1.8提升到2.57 eV。

二維鍺硅烷兼具可調控能帶結構、寬光譜（從紫外區(qū)到可見光區(qū)）響應和優(yōu)異的光催化性能，是未來制備納米光電器件的理想材料之一。該研究首次實現(xiàn)了摻雜精確調控鍺硅類IVA族二維原子晶體半導體的能帶結構，將為未來新型半導體二維原子晶體材料的合成、設計、電子結構調控以及光電性能提升提供重要的材料基礎和技術支撐。