南京理工&深圳大学Advanced Materials：第五主族二维材料的研究现状和未来前景

【前言】

近年来，第五主族二维材料展现出优越的电学性质，引起了全世界的研究热潮，并被应用于包括场效应晶体管、光电器件、传感器、生物治疗、能源存储等领域，成为以石墨烯为代表的新型二维材料家族中的重要成员。与此同时，许多研究者们通过元素化合的手段对第五主族单元素材料的性质进行有效调控，合成了一系列拥有丰富电学和光学性质的二维V-V二元材料，在自旋电子器件和光电器件领域展现了极大的应用潜力，进一步拓宽了第五主族材料的器件应用。

【成果简介】

近日，南京理工大学曾海波教授团队青年教授张胜利和深圳大学张晗教授团队合作，以“2D V-V Binary Materials: Status and Challenges”为题在Advanced Materials上发表综述文章，南京理工大学郭诗颖和深圳大学张豫鹏为该综述论文的共同第一作者（Advanced Materials, 2019, 31, 1902352）。

根据原子轨道线性组合理论，由于第五主族元素（氮、磷、砷、锑、铋）的原子半径和电负性的不同，通过元素化合后的V-V二元材料的电子结构会不同于单元素材料，从而实现对电子结构的有效调控（如图1）。曾海波团队理论预测了一系列二维V-V二元材料，例如，二维黑磷砷材料拥有合适的直接带隙（1.54 eV）和超高迁移率（>14 000 cm²V⁻¹s⁻¹），并且还具备高太阳能转换效率的优势，有望成为太阳能电池的替代材料（Nano Energy 2016, 28, 433；Phys. Rev. B 2016, 93, 245303；Nanoscale Horiz. 2019, 4, 1145）。

【图文导读】

图1. （a-b）两种元素原子轨道线性组合。（c）第五主族元素的原子半径和电负性。（d）二维V-V二元材料原子结构。

该综述文章系统地概述了二维V-V二元材料从理论到实验的研究进展。首先介绍了二维V-V二元材料的原子结构特征，电子结构性质及各种调控手段，并基于电荷、轨道、晶格、自旋等自由度的相互作用加以理解说明。随后，文章总结了目前二维V-V二元材料的实验制备方法和进展，以及它们在电子器件、光电器件、热电、催化等方面的实际应用。同时，文章从二维V-V二元材料的研究现状出发，阐明了现下领域面临的主要挑战是缺乏实现大面积且可控的制备二维V-V二元材料的方法，尤其是亟需发展化学气相沉积合成手段。此外，该综述还强调了二维V-V二元材料独特的光电性质为其在光调制器、中红外器件、集成光子学和光热治疗等光电领域的实际应用提供了强大的机遇。该综述不仅能够帮助全面了解二维V-V二元材料的最新研究进展，还启发了对其他第五主族二维材料衍生物的创新性研究。

图2. 二维V-V二维材料及其应用。

【团队介绍】

南京理工大学曾海波教授团队长期着眼于第五主族二维半导体材料的研究，理论上从关键性质到实际应用深入研究，取得了一系列有影响力的研究成果，先后在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Comm.等刊物发表多篇高水平论文。该团队率先理论预测了锑烯砷烯二维半导体材料（Atomically thin arsenene and antimonene: Semimetal-semiconductor and indirect-direct band-gap transitions, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3112），被Nature以专题亮点评论为“新型二维光电材料”，同时也获得了Nano Werk、Chemistry Views、Material Views等十余家学术媒体的亮点报道，之后在理论上进一步系统地探索了二维第五主族材料及其衍生物的关键物理性能（Semiconducting group 15 monolayers: A broad range of band gaps and high carrier mobilities, Angew. Chem. 2016, 128, 1698；Antimonene oxides: Emerging tunable direct bandgap semiconductor and novel topological insulator, Nano Lett. 2017, 17, 3434；Van der Waals bilayer antimonene: A promising thermophotovoltaic cell material with 31% energy conversion efficiency, Nano Energy 2017, 38, 561），随后通过范德华力外延生长等方法成功制备出锑烯纳米片（Two-dimensional antimonene single crystals grown by van der Waals epitaxy, Nat. Comm. 2016, 7, 13352；Modulating epitaxial atomic structure of antimonene through interface design, Adv. Mater. 2019, 31, 1902606），并探索了第五主族二维材料在离子电池、光电催化等领域的应用潜力（Black phosphorene as a hole extraction layer boosting solar water splitting of oxygen evolution catalysts, Nat. Comm. 2019, 10, 2001；Ultra-thin bismuth nanosheets for stable Na-ion batteries: Clarification of structure and phase transition by in situ observation, Nano Lett. 2019, 19, 1118）。此外，基于第五主族二维材料的研究进展，该团队还撰写了相关综述论文，发表于顶级学术期刊《Chemical Society Reviews》（Recent progress in 2D group-VA semiconductors: from theory to experiment, Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 982）。

深圳大学张晗教授团队长期从事二维材料物理与器件研究，在二维光电材料制备及器件应用的基础研究方面取得了一系列原创性成果，在微纳光电子领域产生了重要影响，为中国光电材料与器件研究在国际上占有一席之地做出了贡献。近五年, 张晗教授以通信作者发表IF>10期刊论文超过50篇，包括Nature Communications 5篇， Physic Reports 2篇，Chemical Society Reviews 3篇, Science Advance, PNAS, Advanced Materials 10篇等。其中超过50篇论文引用过百次，ESI高被引论文48篇。论文总被引超过22, 000次，H因子为75。

本文由课题组供稿。

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