【引言】
二維材料是當今材料科學、凝聚態物理乃至信息科學及其交叉學科領域的研究熱門之一。第一個被發現的二維材料石墨烯，具有高的遷移率和好的環境穩定性，被認為是作為電子器件的理想材料。然而，石墨烯及其同類第IV族二維材料硅烯和鍺烯，沒有本征帶隙，作為晶體管開關比往往很低，作為光電探測器件暗電流大。與第IV族單質二維材料不同的是，第V族二維材料黑磷，具有較寬的可調直接帶隙，同時兼具較高的遷移率，除此之外，黑磷另一個最大的特點是具有平面各向異性。然而，黑磷在空氣中穩定性欠佳，限制了其進一步應用。因此，尋找一種新的兼具第IV族和第V族單質二維材料優點（高遷移率、可調帶隙、平面各向異性和較好穩定性）的新型二維材料，成為一項重要挑戰。
【成果簡介】
近期，華中科技大學翟天佑教授課題組在Advanced Materials 上發表了題名為2D GeP: An Unexploited Low-Symmetry Semiconductor with Strong In-Plane Anisotropy的論文。該文研究了一種新型的第IV族-第V族化合物二維材料—GeP。它具有低對稱的單斜晶體結構，屬于C2/m (No.12)空間群，正是這種低對稱結構確保了GeP的平面各向異性。研究者通過第一性原理計算發現，GeP具有依賴與層數從體相0.51 eV到單層1.68 eV連續可調帶隙，另外，對于單層的GeP，在某些方向上載流子有效質量小于黑磷，這意味著GeP具有潛在的高遷移率。同時，GeP的價電子濃度為4.5，小于黑磷的價電子濃度5，因而，GeP的穩定性要優越于黑磷。綜上，二維GeP是一類具有平面各向異性、寬的可調帶隙、潛在高遷移率和較好穩定性的新型二維材料。研究者通過機械剝離化學氣象輸運法制備的單晶GeP，獲得了其少層結構，采用角分辨的偏振拉曼光譜，探究了其聲子振動模的各向異性。進一步將其設計為平面各向異性光電器件，發現其電導各向異性比為1.52，響應度各向異性比為1.83，略優于黑磷。
【圖文導讀】
圖1 GeP的晶體結構示意圖和表征
(a) 少層GeP的遠景圖;
(b) 單層GeP的頂視圖;
(c) 單層GeP的側面圖;
(d) 高對稱k點的少層GeP 布里淵區;
(e) GeP單晶XRD圖;
(f, g) GeP的XPS圖譜;
(h) 剝離得到的GeP薄片AFM圖;
(i, j) GeP的HRTEM圖。
圖2 GeP的能帶結構和態密度
(a-c) 1層、2層和5層GeP的能帶結構和態密度圖譜。
圖3?角分辨偏振拉曼圖譜
(a) 0°下未偏振、平行偏振構型和垂直偏振構型下歸一化的拉曼圖譜對比;
(b, c)平行偏振構型和垂直偏振構型下角分辨偏振拉曼強度的False-color圖。
圖4 GeP薄片的電學和光電性質
(a) GeP光電晶體管示意圖;
(b)暗態不同背柵電壓下的輸出特性曲線;
(c) 暗態不同漏源電壓下的轉移特性曲線;
(d)不同功率密度下的轉移特性曲線;
(e)光電流在不同柵壓和不同功率密度下的三維圖;
(f) 響應度和外量子效率隨功率密度的變化關系。
圖5 GeP薄片器件的各向異性光電響應
(a) 具有12電極的GeP器件示意圖;
(b) 5.27 mW cm?2功率下，沿著x和y方向的典型輸出特性曲線圖;
(c) 沿著x和y方向時間分辨的光電響應;
(d-f) 角度依賴的電導，光電流和響應度。
【小結】
研究人員第一次從實驗和理論上報道了一種同時具有平面各向異性、潛在高遷移率、寬的可調帶隙和較好穩定性的新型二維材料—GeP，探究了其聲子振動模、電導和光電響應各向異性。這項研究工作有望激發未來對第IV族—第V族化合物（SiP, GeP, SiAs, GeAs等）二維材料的研究興趣。
化學慧定制合成事業部摘錄
