中國科大二維材料系列研究取得新進(jìn)展

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室國際功能材料量子設(shè)計(jì)中心在二維材料系列研究中取得新進(jìn)展，理論上預(yù)言了在GaN（001）襯底上可外延生長單層藍(lán)磷，并提出非常規(guī)的“半層－半層”生長機(jī)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(xué)雜志《物理評論快報(bào)》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(xué)性質(zhì)。隨著Geim和Novoselov于2004年成功地機(jī)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(xué)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(jié)構(gòu)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(jī)械剝離法首次獲得。由于其超高的載流子遷移率和可調(diào)的能隙（直接帶隙），黑磷在半導(dǎo)體工業(yè)和光學(xué)器件等方面有巨大的應(yīng)用前景。單原子層的藍(lán)磷作為黑磷的同素異形體也被預(yù)言可穩(wěn)定存在。對于實(shí)際應(yīng)用而言，基于外延生長制備出高質(zhì)量二維黑磷或藍(lán)磷單晶，是亟待解決的科研難題。

　　針對這一挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于藍(lán)磷相對平整的結(jié)構(gòu)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(lán)磷單層生長的襯底。而且由于磷元素與鎵元素的化學(xué)親和性以及較好的晶格匹配，藍(lán)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(xué)模擬所驗(yàn)證。通過多尺度生長動力學(xué)模擬，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，藍(lán)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(dāng)吸附的磷原子在GaN（001）表面的覆蓋率增加時(shí)，磷原子會先形成一個等效于下半層藍(lán)磷的相對穩(wěn)定的過渡結(jié)構(gòu)；隨著覆蓋度的進(jìn)一步增加，上半層的藍(lán)磷也開始形成，最終形成穩(wěn)定的藍(lán)磷單層。

　　值得指出的是，這一“半層－半層”的新穎生長機(jī)理，從本質(zhì)上有異于該團(tuán)隊(duì)以前所發(fā)現(xiàn)的占主導(dǎo)地位的單層石墨烯外延生長機(jī)理，有效地?cái)U(kuò)展了人們對不同范德瓦爾斯體系非平衡生長現(xiàn)象的認(rèn)知。此外，在此工作審稿期間，已有實(shí)驗(yàn)在Au（111）襯底上生長出接近完整的單層藍(lán)磷。而在半導(dǎo)體GaN(001)襯底上生長出藍(lán)磷或藍(lán)磷單層，由于可以直接用于器件探討，有其更誘人的基礎(chǔ)與應(yīng)用前景。

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