在納米尺度，二維材料的邊界顯著影響性質(zhì)與應(yīng)用。邊界處具有懸掛鍵和邊界應(yīng)力，往往會(huì)引起邊重構(gòu)。要研究二維材料的性質(zhì)，準(zhǔn)確理解不同條件下的邊結(jié)構(gòu)是先決條件。具有褶皺結(jié)構(gòu)的α相單層(如磷烯、砷烯、GeS、GeSe等)同時(shí)具有高遷移率和高開(kāi)關(guān)比，是理想的下一代微電子材料。但其邊界的研究很少，邊的真實(shí)結(jié)構(gòu)及其對(duì)性質(zhì)的影響亟待系統(tǒng)、深入的研究。
大連理工大學(xué)趙紀(jì)軍教授、高峻峰教授和新加坡科技發(fā)展局張永偉教授指導(dǎo)的大連理工大學(xué)物理學(xué)院在讀博士生張艷雪同學(xué)、趙艷艷同學(xué)利用粒子群算法CALYPSO高效結(jié)構(gòu)搜索程序，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的邊界搜索，提出了管狀邊重構(gòu)是褶皺α相單層鋸齒形邊的普適性邊重構(gòu)模式（見(jiàn)圖1）。
圖1. (a,b) 分別為Ge邊界和S邊界的CALYPSO輸入模型示意圖。 (c,d)分別為預(yù)測(cè)的Ge邊界和S邊界對(duì)比原始鋸齒形邊界的能量變化(ΔE)圖及能量最低的ZZ(Ge-Tube)邊界和ZZ(S-R)邊界的原子結(jié)構(gòu)。
張艷雪同學(xué)介紹：“對(duì)比原始的鋸齒形邊界，管狀邊界的邊界能降低了30%以上（圖2）。并且重構(gòu)勢(shì)壘僅僅為0.4 eV，這意味著在室溫下，原始邊結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)變管狀邊結(jié)構(gòu)只需要納米的時(shí)間尺度，非常容易發(fā)生。可以推斷常溫下所有的zigzag邊都會(huì)自發(fā)的轉(zhuǎn)變?yōu)楣軤钸叀薄Ｍ瑫r(shí)，管狀邊結(jié)構(gòu)具有很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。
圖2.重構(gòu)的α相單層納米帶對(duì)比原始鋸齒形邊界納米帶的能量變化圖(虛線設(shè)為零)。
更重要的是，在多種元素組成不同的α相納米帶研究中，管狀邊結(jié)構(gòu)總是能導(dǎo)致type-Ⅱ能帶排列，從而導(dǎo)致穩(wěn)健的電荷空間分離（見(jiàn)圖3）。趙艷艷同學(xué)介紹說(shuō)“我們采用了最新的含時(shí)密度泛函（Hefei-TDDFT）方法進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算，該方法模擬的結(jié)果指出光生空穴和電子分布位于GeS納米帶的兩端，非常穩(wěn)健的形成了電子、空穴的分離，有效的產(chǎn)生了光伏電荷。”
圖3. (a-e) 重構(gòu)的α相單層納米帶的邊界原子投影能帶圖及帶邊分解電荷密度圖。(f) 電子和空穴在GeSNR的ZZ(Ge-Tube)和ZZ(S-R)之間的分離復(fù)合過(guò)程示意圖。
尤為值得注意的是，重構(gòu)后GeS納米帶的管狀邊誘導(dǎo)的光生載流子分離只需要672 fs，但存在壽命卻可高達(dá)5 ns，如此長(zhǎng)的壽命達(dá)到了光催化反應(yīng)的時(shí)間尺度，充分表明了空間分離的電荷可以得到有效的累積，這對(duì)光電器件和光催化的應(yīng)用至關(guān)重要。
該研究以“Universal Zigzag Edge Reconstruction of an α-Phase Puckered Monolayer and Its Resulting Robust Spatial Charge Separation”為題發(fā)表在領(lǐng)域權(quán)威雜志Nano Letters上。大連理工大學(xué)三束教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和物理學(xué)院為第一單位。
參考文獻(xiàn)：
1. Yanxue Zhang, Yanyan Zhao, Yizhen Bai, Junfeng Gao*, Jijun Zhao, and Yong-Wei Zhang*. Universal Zigzag Edge Reconstruction of an α-Phase Puckered Monolayer and Its Resulting Robust Spatial Charge Separation. Nano Letters (2021)
