新型碳基二維半導體材料基本物性研究獲進展

　　以石墨烯為代表的碳基二維材料自發現以來受到了廣泛關注。然而，石墨烯的零帶隙半導體性質嚴重限制了其在微電子器件領域的應用。針對該情況，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究人員等自2013年開展新型碳基二維半導體材料的制備研究，2014年1月成功制備了由碳和氮原子構成的類石墨烯蜂窩狀無孔有序結構半導體C3N單層材料（圖1），并發現該材料在電子注入后產生的鐵磁長程序。C3N的成功合成彌補了石墨烯無帶隙的缺憾，為碳基納米材料在微電子器件的應用提供了新的選擇，并引起廣泛關注。然而，相比于目前研究已經比較成熟的石墨烯，C3N的研究起步較晚，該材料的基本物性研究仍有大量空白有待填補。

　　研究人員于2016年初步實現AA'及AB'堆垛雙層C3N的制備（圖2）。在此基礎上，他們與華東師范大學研究員袁清紅團隊通過近5年努力，借助實驗技術與理論研究，在雙層C3N的帶隙性質、輸運性質等研究領域取得突破，進一步證明雙層C3N在納米電子學等領域的重要應用潛力。

　　該工作證明了通過控制堆垛方式實現雙層C3N從半導體到金屬性轉變的可行性。與本征帶隙為1.23 eV的單層C3N相比，雙層C3N的帶隙大致可以分為三種：接近金屬性的AA和AA'堆垛、帶隙比單層減少將近30%的AB和AB'堆垛、與單層帶隙相近的雙層摩爾堆垛。上述帶隙變化可歸因于頂層與底層C3N間pz軌道耦合下費米能級附近能帶的劈裂。在雙層之間相互作用勢接近的前提下，價帶頂和導帶底波函數重疊的數目決定了能帶劈裂程度，進而影響帶隙。其中AA、AA'、AB 、AB'等雙層C3N中，兩層波函數重疊的數目存在兩倍關系，帶隙劈裂值為近似兩倍關系。而對于雙層摩爾旋轉條紋結構，上下層原子基本錯開，pz軌道的重疊有限，因此其帶隙與單層C3N接近。

　　更重要的是，研究還發現通過施加外部電場可實現AB'堆垛雙層C3N帶隙的調制。實驗結果表明，在1.4 V nm-1的外加電場下，AB'堆垛的雙層C3N的帶隙下降約0.6 eV，可實現從半導體到金屬性的轉變（圖3）。

　　上述工作是C3N材料實驗與理論研究的重要突破，為進一步構建新型全碳微電子器件提供了支撐。相關研究成果以Stacking-Induced Bandgap Engineering of 2D-Bilayer C3N為題在線發表在Nature Electronics上。相關工作得到國家自然科學基金、上海微系統所新微之星項目等的支持。