华中科大翟天佑 ǀ Adv. Mater. : 新型二维材料—GeP

【引言】

二维材料是当今材料科学、凝聚态物理乃至信息科学及其交叉学科领域的研究热门之一。第一个被发现的二维材料石墨烯，具有高的迁移率和好的环境稳定性，被认为是作为电子器件的理想材料。然而，石墨烯及其同类第IV族二维材料硅烯和锗烯，没有本征带隙，作为晶体管开关比往往很低，作为光电探测器件暗电流大。与第IV族单质二维材料不同的是，第V族二维材料黑磷，具有较宽的可调直接带隙，同时兼具较高的迁移率，除此之外，黑磷另一个最大的特点是具有平面各向异性。然而，黑磷在空气中稳定性欠佳，限制了其进一步应用。因此，寻找一种新的兼具第IV族和第V族单质二维材料优点（高迁移率、可调带隙、平面各向异性和较好稳定性）的新型二维材料，成为一项重要挑战。

【成果简介】

近期，华中滚球体育 大学翟天佑教授课题组在Advanced Materials上发表了题名为2D GeP: An Unexploited Low-Symmetry Semiconductor with Strong In-Plane Anisotropy的论文。该文研究了一种新型的第IV族-第V族化合物二维材料—GeP。它具有低对称的单斜晶体结构，属于C2/m (No.12)空间群，正是这种低对称结构确保了GeP的平面各向异性。研究者通过第一性原理计算发现，GeP具有依赖与层数从体相0.51 eV到单层1.68 eV连续可调带隙，另外，对于单层的GeP，在某些方向上载流子有效质量小于黑磷，这意味着GeP具有潜在的高迁移率。同时，GeP的价电子浓度为4.5，小于黑磷的价电子浓度5，因而，GeP的稳定性要优越于黑磷。综上，二维GeP是一类具有平面各向异性、宽的可调带隙、潜在高迁移率和较好稳定性的新型二维材料。研究者通过机械剥离化学气象输运法制备的单晶GeP，获得了其少层结构，采用角分辨的偏振拉曼光谱，探究了其声子振动模的各向异性。进一步将其设计为平面各向异性光电器件，发现其电导各向异性比为1.52，响应度各向异性比为1.83，略优于黑磷。

【图文导读】

图1 GeP的晶体结构示意图和表征

(a) 少层GeP的远景图;

(b) 单层GeP的顶视图;

(c) 单层GeP的侧面图;

(d) 高对称k点的少层GeP 布里渊区;

(e) GeP单晶XRD图;

(f, g) GeP的XPS图谱;

(h) 剥离得到的GeP薄片AFM图;

(i, j) GeP的HRTEM图。

图2 GeP的能带结构和态密度

(a-c) 1层、2层和5层GeP的能带结构和态密度图谱。

图3角分辨偏振拉曼图谱

(a) 0°下未偏振、平行偏振构型和垂直偏振构型下归一化的拉曼图谱对比;

(b, c)平行偏振构型和垂直偏振构型下角分辨偏振拉曼强度的False-color图。

图4 GeP薄片的电学和光电性质

(a) GeP光电晶体管示意图;

(b)暗态不同背栅电压下的输出特性曲线;

(c) 暗态不同漏源电压下的转移特性曲线;

(d)不同功率密度下的转移特性曲线;

(e)光电流在不同栅压和不同功率密度下的三维图;

(f) 响应度和外量子效率随功率密度的变化关系。

图5 GeP薄片器件的各向异性光电响应

(a) 具有12电极的GeP器件示意图;

(b) 5.27 mW cm⁻²功率下，沿着x和y方向的典型输出特性曲线图;

(c) 沿着x和y方向时间分辨的光电响应;

(d-f) 角度依赖的电导，光电流和响应度。

【小结】

研究人员第一次从实验和理论上报道了一种同时具有平面各向异性、潜在高迁移率、宽的可调带隙和较好稳定性的新型二维材料—GeP，探究了其声子振动模、电导和光电响应各向异性。这项研究工作有望激发未来对第IV族—第V族化合物（SiP, GeP, SiAs, GeAs等）二维材料的研究兴趣。

文章链接：2D GeP: An Unexploited Low-Symmetry Semiconductor with Strong In-plane Anisotropy(Adv. Mater.DOI:10.1002/adma.201706771)

本文由翟天佑课题组撰稿，材料人特约作者吴禹翰审核发布。

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