曾海波Nature子刊-范德华外延生长制备高质量二维锑烯

曾海波Nature子刊-范德华外延生长制备高质量二维锑烯

【引言】

继JACS报道曾海波团队以超声辅助液相剥离法成功制备锑烯之后[1]，该课题组采取范德华外延生长法，成功制备出更高质量的二维锑烯薄膜；借助HRTEM和Raman光谱确定外延生长锑烯的精细结构-具有褶皱六元环的β相，与前期课题组理论预测高稳定锑烯工作一致；该工作一方面证实了二维β-Sb的优良热力学和化学稳定性，同时也验证了多层锑烯的半金属特性，并进一步探索其在透明导电薄膜方向的应用前景。文章以‘Two-dimensional antimonene single crystals grown by van der Waals epitaxy ’为题发表于Nature Communication上，通讯作者为南京理工大学曾海波教授，第一作者为吉建平博士。 【背景介绍】

2014年，复旦大学张远波课题组与中科大陈仙辉课题组合作开辟二维黑磷领域[2],丰富了单元素二维材料体系。实验发现，黑磷其兼具高的迁移率和恰当的带隙，从而成为机具潜力的二维半导体，然而其不稳定性限制了后续的研究与应用。更重要的是，黑磷体系的出现极大地启发了第五主族二维材料体系的研究探索。同年年底，曾海波课题组的张胜利博士首次从理论上提出了两类新型第五主族二维半导体材

料——砷烯和锑烯[3]。砷烯和锑烯分别是第五主族元素具有层状结构的砷和锑块体减薄至单原子层所得产物。模拟计算表明，当减薄至单层，砷、锑将发生半金属-半导体转变，带隙对应于蓝光波段。论文一经发表，即Nature、NanoWerk、ChemistryViews、MaterialViews等国际学术媒体对此工作进行了密集的亮点报道，引起极大关注。

随后，大量的理论研究工作开始聚焦于它们的电子结构、表面态、边缘态、拓扑态、迁移率、光学性能、热导性能、热电性能、负泊松比等一系列新奇的量子特性[4-6]。 随着理论研究的快速推进，实验研究的必要性也被推到前台：这些新颖的二维半导体是否在实验中合成？是否可以稳定存在？理论上多种相结构在实验上又是否存在？其中独特的半金属-半导体转变能否成功验证？这些疑问成了亟待实验研究厘清的疑云。

2016年初以来，国内外若干课题组运用各种经典方法成功制备并研究了锑烯的种种性质。中科院高能物理研究所的Kurash Ibrahim与厦门大学Hui-Qiong Wang合作，通过MBE法成功在Sb2Te3和Bi2Te3衬底上生长出了双原子层锑烯薄膜（即单层锑烯），并且运用角分辨光电子能谱（ARPES）对制备所得的薄膜进行了研究[7]。台湾国立清华大学的Jenq-Horng Liang课题组使用溅射析出的工艺轻松制备了约20纳米的锑烯纳米带，并观察到了光致发光现象[8]。然而，

该方法制备的锑烯结晶性较差，存在乱序堆叠的现象，对锑烯本征性能的研究有着一定的干扰。文章提及，橙色发光的特性也是乱序堆叠现象所导致。虽然通过分子束外延的方法可以制备出锑烯薄膜，但是这种方法具有极大的局限性，对于设备的要求极高，而且制备所得薄膜的晶畴极小，并不利于这个领域广泛研究的开展。

考虑到气相沉积法在二维材料高质量大面积制备中倍受认可，其是否在锑烯制备中有用武之地？如何理清理论预测中多种相结构在实验合成中的可能性，并借助实验手段加以确认？另外，实际应用的可能性在二维材料研究中也一直受到极大关注，探索其在光电领域的应用也是研究者关注的研究内容。 【成果介绍】

针对问题进行研究是一贯的科研态度和方法，曾海波课题组利用外延生长法以商用锑粉末进行气相输运，沉积于氟晶云母沉底制备多层锑烯纳米片，观测到最薄纳米片可至4 nm。对于多种相结构的疑惑，借助HRTEM以及拉曼光谱加以厘清，确定所得为β相，与块体一致；同时，借助Raman，AFM等实验手段和理论模拟，确认了锑烯优良的化学稳定性；最后，器件测试表明多层锑烯的半金属特性，辅以测试得到锑烯光透过率对厚度依赖关系，探索了多层锑烯薄膜应用于透明导电薄膜领域的前景。范德华外延生长锑烯