中國科大二維材料系列研究取得新進展

　　近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室國際功能材料量子設計中心在二維材料系列研究中取得新進展，理論上預言了在GaN（001）襯底上可外延生長單層藍磷，并提出非常規(guī)的“半層－半層”生長機制。該研究成果以Half Layer By Half Layer Growth of a Blue Phosphorene Monolayer on a GaN (001) Substrate 為題于1月27日在線發(fā)表在國際物理學雜志《物理評論快報》上，并被選為編輯推薦（Editors Suggestion）。博士生曾犟為第一作者，崔萍與張振宇為通訊作者。

　　二維材料具有很多優(yōu)越的物理與化學性質。隨著Geim和Novoselov于2004年成功地機械剝離出單層石墨烯，越來越多的凝聚態(tài)物理與材料科學研究都在圍繞不同類型的二維材料展開。與石墨稀具有類似的二維層狀結構的黑磷單晶，于2014年由中國科大教授陳仙輝及其合作者通過機械剝離法首次獲得。由于其超高的載流子遷移率和可調的能隙（直接帶隙），黑磷在半導體工業(yè)和光學器件等方面有巨大的應用前景。單原子層的藍磷作為黑磷的同素異形體也被預言可穩(wěn)定存在。對于實際應用而言，基于外延生長制備出高質量二維黑磷或藍磷單晶，是亟待解決的科研難題。

　　針對這一挑戰(zhàn)，該團隊通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，由于藍磷相對平整的結構形貌，其在襯底上總比黑磷更穩(wěn)定，而Au（111）、Cu（111）以及GaN（001）都是適合藍磷單層生長的襯底。而且由于磷元素與鎵元素的化學親和性以及較好的晶格匹配，藍磷在GaN（001）表面更為穩(wěn)定，這一推論也為基于第一性原理的分子動力學模擬所驗證。通過多尺度生長動力學模擬，該團隊還發(fā)現(xiàn)，藍磷在GaN（001）襯底上的生長遵循“半層－半層”生長的非常規(guī)模式：當吸附的磷原子在GaN（001）表面的覆蓋率增加時，磷原子會先形成一個等效于下半層藍磷的相對穩(wěn)定的過渡結構；隨著覆蓋度的進一步增加，上半層的藍磷也開始形成，最終形成穩(wěn)定的藍磷單層。

　　值得指出的是，這一“半層－半層”的新穎生長機理，從本質上有異于該團隊以前所發(fā)現(xiàn)的占主導地位的單層石墨烯外延生長機理，有效地擴展了人們對不同范德瓦爾斯體系非平衡生長現(xiàn)象的認知。此外，在此工作審稿期間，已有實驗在Au（111）襯底上生長出接近完整的單層藍磷。而在半導體GaN(001)襯底上生長出藍磷或藍磷單層，由于可以直接用于器件探討，有其更誘人的基礎與應用前景。

　　半層藍磷與單層藍磷在GaN（001）表面的形貌以及磷原子在其表面和界面的擴散勢壘