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科研進展

重慶研究院在IVAVIB的大面積單原子層研究上取得新進展

時間:2017-12-13編輯:信息所量子信息技術中心

  近日,重慶研究院量子信息技術中心團隊在以GeSe為代表的IVAVIB大面積單原子層材料制備和能帶結構確定,及其器件測試分析方面取得最新進展,相關研究成果以全文形式發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。 

  石墨烯的研究打開了發(fā)掘更多二維材料的大門。到目前為止,已有上百種二維材料被人們所發(fā)現(xiàn),包括第四主族單質、第三和第五主族構成的二元化合物、金屬硫族化合物、復合氧化物等。這些發(fā)現(xiàn)不僅打破了長久以來二維晶體無法在自然界中穩(wěn)定存在的預言,其自身的優(yōu)異性質也使得它們呈現(xiàn)出許多新奇的物理現(xiàn)象和電子性質,例如半整數(shù)、分數(shù)和分形量子霍爾效應、高遷移率、能帶結構轉變等,在基礎和應用研究中都極具潛力。 

  IVAVIB單晶二維材料MX (M= Ge, Sn; X= S, Se)由于具有極高的穩(wěn)定性、豐富的蘊藏量和環(huán)境友好性,以及從材料結構到性能上與黑磷烯的相似性而受到廣泛關注?;诘谝恍栽矸椒▽?/span>MX的能帶結構的計算、對其從間接帶隙到直接帶隙的臨界層厚、以及基于其C2v對稱結構的壓電性能理論預測等多有報道。然而,由于該類型材料普遍非常脆,難以直接以傳統(tǒng)的物理撕裂法制備得到單原子層材料。同時,以化學合成方法難以獲得較大面積的單原子層(大于1微米)。因此對IVAVIB單晶二維材料的研究迄今仍然停留在理論預測階段。在MX當中,GeSe理論上被認為是唯一具有直接帶隙的材料,且該材料的光譜范圍預測幾乎覆蓋了整個太陽光光譜,使得這種材料未來在量子光學、光電探測、光伏、電學等領域有非常巨大的應用潛力。 

  針對這一情況,最近,量子信息技術中心團隊發(fā)現(xiàn)利用單晶硅表面二氧化硅的隔熱效果和激光減薄方法,可以在一定激光功率密度下不斷地減薄GeSe的層厚,直至單原子層。其減薄機理是激光在GeSe表層產生高熱,由于GeSe材料本身的層狀特性,難以將熱量及時傳導出去,導致層厚被不斷減薄。當GeSe的層厚被減薄至單原子層時,整個SiO2/Si可以被看做熱沉而無法繼續(xù)減薄?;诖朔椒?,團隊首次實驗制備出了100微米以上的GeSe單原子層材料。在此基礎上基于熒光譜、拉曼譜等方法研究了GeSe單原子層的原子和能帶結構,并基于第一性原理方法理論印證了實驗結果的可靠性。實驗和理論計算表明,GeSe單原子層的熒光譜非常寬,從可見光波段到近紅外波段發(fā)現(xiàn)了8個熒光峰,從間接帶隙到直接帶隙的轉變發(fā)生在第三層。同時,團隊分別實驗制備了基于GeSe體材料和二維材料的晶體管,其I-V和光反應性能表明,二維材料的光敏度是相應體材料的3.3倍,同時二維材料器件的光反應度也遠優(yōu)于相應體材料器件。研究結果驗證了此前的理論預測,并獲得了大量新的實驗發(fā)現(xiàn)。 

  IVAVIB單晶二維材料的實驗實現(xiàn)對于研究該族材料在光學、電學和光電領域的應用具有非常重要的意義,從而使得對該族二維材料的研究從理論預測推進到了實驗實現(xiàn)的階段。 

  上述研究成果得到重慶市基礎前沿重大項目(cstc2013jcyjC40001),中科院西部青年學者A類項目,國家自然科學基金面上項目(61775214)等資助。 

  文章鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.201704855 

  Hongquan Zhao*, Yuliang mao*, Xin Mao, Xuan Shi, Congshen Xu, Yuhui Yang, Chunxiang Wang, Shangmin Zhang, Dahua ZhouAdvanced Functional Materials. DOI:10.1002/adfm.201704855. (中科院SCI一區(qū),IF=12.128