中科院上海微系统所等在新型碳基二维半导体材料基本物性研究中获新突破

上海微系统与信息技术研究所消息显示，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究人员等自 2013 年开展新型碳基二维半导体材料的制备研究。

2014 年 1 月成功制备了由碳和氮原子构成的类石墨烯蜂窝状无孔有序结构半导体 C3N 单层材料，并发现该材料在电子注入后产生的铁磁长程序；2016 年初步实现 AA' 及 AB' 堆垛双层 C3N 的制备。

此后，他们与华东师范大学研究员袁清红团队通过近 5 年努力，在双层 C3N 的带隙性质、输运性质等研究领域取得突破，进一步证明双层 C3N 在纳米电子学等领域的重要应用潜力。

据介绍，该工作证明了通过控制堆垛方式实现双层 C3N 从半导体到金属性转变的可行性。与本征带隙为 1.23 eV 的单层 C3N 相比，双层 C3N 的带隙大致可以分为三种：接近金属性的 AA 和 AA' 堆垛、带隙比单层减少将近 30% 的 AB 和 AB' 堆垛、与单层带隙相近的双层摩尔堆垛。上述带隙变化可归因于顶层与底层 C3N 间 pz 轨道耦合下费米能级附近能带的劈裂。在双层之间相互作用势接近的前提下，价带顶和导带底波函数重叠的数目决定了能带劈裂程度，进而影响带隙。其中 AA、AA'、AB 、AB' 等双层 C3N 中，两层波函数重叠的数目存在两倍关系，带隙劈裂值为近似两倍关系。而对于双层摩尔旋转条纹结构，上下层原子基本错开，pz 轨道的重叠有限，因此其带隙与单层 C3N 接近。

此外，研究还发现通过施加外部电场可实现 AB' 堆垛双层 C3N 带隙的调制。实验结果表明，在 1.4 V nm-1 的外加电场下，AB' 堆垛的双层 C3N 的带隙下降约 0.6 eV，可实现从半导体到金属性的转变。