吉大张立军团队AFM：具有提升电子性质的二维半导体硒化铟新相

背景介绍

作为重要的二维半导体材料，硒化铟（InSe）具有高达1×10³cm²V^-1s^-1的室温电子迁移率，及超宽的光谱响应范围（从体相减薄至单层，带隙值可增加1.0 eV）等特点，因而在电子和光电子器件，如场效应晶体管、光电探测和影像传感等领域有重要应用价值。目前实验上报道研究的硒化铟主要有三个相，分别是β相、γ相和ε相，均由同种单层结构（D_3h）按照不同的层间堆积方式构成。众所周知，许多二维材料具有不同类型的单层结构以及由其构成的不同物相，例如：碳元素可以形成石墨烯和石墨炔，磷元素可以形成单层黑磷和单层蓝磷，过渡金属硫化物存在单层1H和1T相，等等。多样化的单层结构、以及由其构成的不同物相，极大地调控了二维材料的本征物性、拓展了二维材料的应用范围。那么，二维半导体硒化铟是否存在由不同单层结构构成、具有不同性质的新相呢？

成果简介

近日，吉林大学张立军教授团队从理论上设计出一类由新型单层结构构成的二维半导体硒化铟新相，并呈现出提升的电子性质。结合人工智能粒子群优化算法与第一性原理计算，设计的硒化铟新相由D_3d单层构成，D_3d单层与已知D_3h单层截然不同，具有中心反演对称性。新相表现出热力学和动力学方面的稳定性。与已知的β、γ和ε相相比，新相呈现出更宽的光谱响应范围和提升的电子迁移率。基于实验上的结构表征和光谱学测量手段，如X射线衍射、拉曼光谱、二次谐波等，新相可被有效鉴别。研究成果以”New Polymorphs of Two-Dimensional Indium Selenide with Enhanced Electronic Properties”为题发表在期刊Adv. Funct. Mater.上。论文第一作者是吉林大学已毕业博士生孙远慧（现在美国加州州立大学做博士后研究），张立军教授为论文的唯一通讯作者。本工作得到国家基金委优青、面上项目的资助，由英国诺丁汉大学的Amalia Patanè教授和美国阿肯色州立大学的Koushik Biswas教授合作完成。

图文解读

图一、硒化铟新相的发现：结合人工智能粒子群优化算法与第一性原理计算，对结构搜索设计演化图中的低能区结构进行系统分析，发现三种由新型单层结构(D_3d)堆砌形成的新相（δ(D_3d)相、ω(D_3d)相和(D_3d)相）。D_3d单层与已知D_3h单层截然不同，具有中心反演对称性。

(a) 结构搜索中硒化铟结构的能量随代数的演化。

(b) 低能区域存在的三种单层结构。

(c) 由D_3d单层按不同方式堆砌而成的三种硒化铟新相。

图二、硒化铟新相的稳定性分析：开展相变势垒、室温和高温下的分子动力学模拟以及声子稳定性方面的研究，发现新相表现出热力学和动力学方面的稳定性。

(a) 新型D_3d单层向已知D_3h单层结构转变的势垒图。

(b) D_3d单层结构不同温度下的分子动力学模拟。

(c) D_3d单层结构的声子谱图。

(d) 由D_3d单层按不同方式堆砌而成的三种硒化铟新相的声子谱图。

图三、硒化铟新相的电子结构：对比了三种硒化铟新相的带隙值随层数的变化，发现其中的δ(D_3d)相具有高达1.5 eV的宽带隙变化范围，显著宽于其它结构（1.2~1.3 eV）。原因是该堆砌方式的层间距离较短，随层数增加时，层间耦合作用可以更为迅速地提升价带顶能级，从而降低带隙。

(a) D_3d单层和D_3h单层结构的轨道投影能带图。

(b) 不同硒化铟物相的带隙值随层数的变化趋势。

(c) 不同硒化铟物相的层间差分电荷分布情况。

图四、硒化铟新相的电子迁移率：利用基于有效质量近似和形变势方法计算得到的新相电子迁移率也均高于同等厚度下的已知相。

(a) 不同硒化铟物相沿armchair方向随层数变化的电子迁移率。

(b) 不同硒化铟物相沿zigzag方向随层数变化的电子迁移率。

图五、硒化铟新相的实验鉴别：X射线衍射法可以有效地区分大部分物相，而其中无法区分的(D_3d)相和γ(D_3h)相可通过拉曼光谱（150~200 cm^-1区间存在差异）进行鉴别。此外，不同类型的物相随层数变化时，对二次谐波信号的响应情况有所不同。

(a) 不同硒化铟物相的X射线衍射图。

(b) (D_3d)相和γ(D_3h)相的拉曼光谱图对比。

总结与展望

综上所述，作者利用结合人工智能粒子群优化算法与第一性原理计算的全局材料结构搜索，从理论上设计出一类由新型单层结构构成的二维半导体硒化铟新相。设计的硒化铟新相由具有中心反演对称性的D_3d单层构成，表现出热力学和动力学方面的稳定性。与硒化铟的已知物相相比，新相呈现出更宽的光谱响应范围和提升的电子迁移率。理论预测的新相期待实验合成的证实。基于实验上的光谱学测量手段，如X射线衍射、拉曼光谱、二次谐波等，新相可被有效鉴别。

文献信息

New Polymorphs of 2D Indium Selenide with Enhanced Electronic Properties（Adv. Funct. Mater.,2020, DOI: 10.1002/adfm.202001920）

文章链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202001920

通讯作者简介

张立军教授：吉林大学集成光电子国家重点实验室/材料学院教授，国家海外高层次青年人才引进计划入选者（2014）、基金委优秀青年基金获得者（2017）。2008年在吉林大学获理学博士，2008－2014年先后到美国橡树岭国家实验室、美国国家可再生能源实验室、美国科罗拉多大学波尔得分校任博士后研究员、研究助理教授。长期聚焦半导体光电材料，基于半导体理论计算，应用自主研发的材料设计方法与软件，开展材料设计与物性调控研究，多个从理论上设计预测的新型光电半导体与新物性调控思路得到实验证实。迄今共发表SCI论文120余篇，所有论文共被引用6300余次，h因子值43。自2014年回国入职以来，作为第一/通讯作者在Nat. Rev. Mater. (1), Nat. Photonics (1), Nat. Commun. (5), Nano Lett. (4), Adv. Funct. Mater. (3), J. Am. Chem. Soc. (5)等SCI期刊上发表论文50余篇。获中国材料研究学会计算材料学分会“计算材料学青年奖”（2018）、吉林省青年滚球体育 奖—特等奖（2019）。受邀在美国材料研究学会（MRS）春季会议、新加坡先进技术材料国际会议（ICMAT）等国际会议上做特邀报告近20次。担任滚球体育 部重点研发计划课题负责人，Nano Research期刊“Young Star Editor”、《半导体学报》及《中国光学》期刊编委，Nature等期刊审稿人。