寧波材料所在二維MXene材料作為功能分子器件研究中取得進展

　　隨著半導體產業(yè)快速發(fā)展，電子器件的尺寸已跨入納米級，使得分子器件的設計和應用成為引導新型半導體材料發(fā)展的重要方向。對相關材料與器件進行量子力學的原子級別的模擬顯得越來越重要。而二維材料作為新型功能材料最近幾年受到了廣泛的關注。為此，科學家希望石墨烯以及相關的二維材料制造出的低功耗電子器件能夠為電子產業(yè)帶來生機，帶來革命性的技術和產品。

　　MXene作為一類與石墨烯類似的新興二維材料，其優(yōu)異的載流子遷移率及半導體特性使其在分子器件等方面有突出的巨大應用潛力。MXene來源于三元層狀金屬陶瓷Mn+1AXn相（M為過渡金屬元素，A為主族元素，X為C或N，n一般為1~3，形成MAX相）。人們可以通過將MAX相中結合較弱的A位元素（如Al 原子）抽出，得到這種層狀的過渡金屬碳化物或碳氮化物Mn+1XnTz材料，其中Tz指表面基團（如O2-、OH-、F-、NH3、NH4+）。MXene材料具有制備簡單、易調控和易器件化操作等優(yōu)點，但目前還缺乏很深入的性能研究。

　　最近，中國科學院寧波材料技術與工程研究所采用密度泛函理論和非平衡格林函數相結合的第一性原理方法，對Ti2CO2 MXene納米帶電荷輸運性質進行了深入和系統(tǒng)的理論研究。研究表明：(1) Ti2CO2納米帶的能隙可以通過改變其納米帶的寬度或晶向取向進行調控。非對稱的扶手椅形納米帶的能隙隨寬度的增加反而減?。粚τ阡忼X形Ti2CO2 納米帶的能隙很小，甚至為零。并且，量子限定效應對其能隙產生較大的影響：對稱的扶手椅形納米帶在其能隙中產生邊緣帶。(2) 考慮不同寬度的Ti2CO2 納米帶分子器件的電荷輸運行為，得到鋸齒形和扶手椅形納米帶器件的電流-電壓曲線，發(fā)現(xiàn)Ti2CO2納米帶分子器件具有良好的負微分電阻現(xiàn)象，見附圖所示；在扶手椅形的Ti2CO2 納米帶中，因其能帶的帶隙有一定大小，所對應的分子器件也具有相應的開啟電壓，只有當電壓超過這個臨界電壓時，才會產生電流。在這項工作中，研究人員也細致地研究了Ti2CO2 納米帶分子器件負微分電阻現(xiàn)象起因的理論機制，提出了器件在不同偏壓下，其左右電極的導帶和價帶之間變得不匹配，因而會導致電流下降。出現(xiàn)了負微分電阻現(xiàn)象。

　　總之，基于其良好的電荷輸運性質，該研究邁出了以半導體MXene材料作為功能分子器件的第一步。這項研究工作被《物理化學期刊C》（Journal of Physical Chemical C）期刊接收發(fā)表（J. Phys. Chem. C 2016, 120, 17143−17152）。

　　圖：不同寬度下Ti2CO2納米帶分子器件的電流-電壓曲線。(a)非對稱扶手椅形；(b)對稱的扶手椅形；(c)鋸齒形Ti2CO2 納米帶分子器件