北理工團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)角雙層銻烯研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-06-16 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院的姚裕貴教授、肖文德研究員團(tuán)隊(duì)與北京科技大學(xué)潘斗星副教授合作，在轉(zhuǎn)角電子學(xué)方面取得了重要進(jìn)展，首次成功制備了轉(zhuǎn)角雙層銻烯，并發(fā)現(xiàn)其具有轉(zhuǎn)角依賴的電子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。研究成果發(fā)表于物理學(xué)國(guó)際頂級(jí)期刊《Nano Letters》。
轉(zhuǎn)角豐富了材料結(jié)構(gòu)和物性的調(diào)控維度。例如，魔角石墨烯(magic-angle twisted bilayer graphene)呈現(xiàn)出多種奇異的物理性質(zhì)，包括非常規(guī)超導(dǎo)、關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)等。此外，在轉(zhuǎn)角過(guò)渡金屬硫族化合物中也觀察到轉(zhuǎn)角依賴的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，如平帶、谷激子等。值得注意的是，轉(zhuǎn)角電子學(xué)并不局限于平面六方結(jié)構(gòu)的材料。近年來(lái)，由于轉(zhuǎn)角堆疊和各向異性晶格之間的相互作用可以導(dǎo)致奇異的輸運(yùn)性質(zhì)，轉(zhuǎn)角的翹曲四方結(jié)構(gòu)材料也引發(fā)了廣泛關(guān)注。比如，有計(jì)算工作預(yù)言轉(zhuǎn)角雙層黑磷中的的摩爾條紋具有非凡的“雜質(zhì)”效應(yīng)，導(dǎo)致其輸運(yùn)方向和載流子類型具有顯著不對(duì)稱性。但是由于黑磷空氣穩(wěn)定很差，雙層黑磷很難制備得到，遑論應(yīng)用。作為黑磷的姊妹材料，α相銻烯(α-Sb)具有很好的空氣穩(wěn)定性，并且其電子結(jié)構(gòu)可由應(yīng)力調(diào)控，因而成為理想的轉(zhuǎn)角翹曲結(jié)構(gòu)研究的候選材料。然而，迄今為止轉(zhuǎn)角雙層銻烯還未被成功制備。
北京理工大學(xué)姚裕貴教授、肖文德研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于低維翹曲單元素烯的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)制備，在銻烯的可控制備和物性研究方面取得了一系列重要進(jìn)展[J. Phys. Chem. C (2023)；J. Phys. Chem. Lett. 15 (24), 6415-6423 (2024)]。最近，該研究團(tuán)隊(duì)選擇TiSe2作為襯底，首次成功外延制備具有39°轉(zhuǎn)角的雙層銻烯，并用低溫掃描隧道顯微鏡對(duì)單層銻烯、AB堆垛的雙層銻烯和39°轉(zhuǎn)角的雙層銻烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的表征。他們?cè)诜肿觿?dòng)力學(xué)模擬中設(shè)置不同初始角度的轉(zhuǎn)角雙層銻烯和不同的環(huán)境溫度。一系列的模擬結(jié)果表明，除了常規(guī)AB堆垛外，還有四種轉(zhuǎn)角雙層α-Sb在能量上是穩(wěn)定的，其中39°轉(zhuǎn)角的雙層α-Sb出現(xiàn)的頻率最高，表明39°轉(zhuǎn)角的雙層α-Sb是這四種轉(zhuǎn)角雙層α-Sb中是最穩(wěn)定的。此外，掃描隧道譜和密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，39°轉(zhuǎn)角的雙層α-Sb具有金屬特征，而常規(guī)AB堆垛的雙層α-Sb具有半導(dǎo)體特征。從DFT優(yōu)化模型可知，轉(zhuǎn)角使得39°轉(zhuǎn)角雙層α-Sb中的上層原子發(fā)生重構(gòu)，并且其層間距與AB堆垛雙層α-Sb相比會(huì)略微縮小。這種重構(gòu)和層間距的減小有利于增強(qiáng)pz軌道的層間電子躍遷，從而解釋了39°轉(zhuǎn)角雙層α-Sb中半導(dǎo)體到金屬性的電性轉(zhuǎn)變。該工作成功合成了轉(zhuǎn)角雙層α-Sb，并發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角依賴的電學(xué)特性，表明褶皺四方結(jié)構(gòu)單元素烯在轉(zhuǎn)角電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1. 兩類雙層銻烯島，N為AB堆垛（Normal AB-stacked）的雙層銻烯島,T為39°轉(zhuǎn)角（Twisted）的雙層銻烯島。
圖2. 39°轉(zhuǎn)角雙層銻烯的原子結(jié)構(gòu)和DFT模型。
圖3. 不同初始角度和環(huán)境溫度的轉(zhuǎn)角雙層銻烯的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果。
圖4. 單層銻烯、AB堆垛雙層銻烯和39°轉(zhuǎn)角雙層銻烯的STS譜和DFT計(jì)算能帶圖。
北京理工大學(xué)為該研究工作的第一完成單位。北京科技大學(xué)潘斗星副教授和北京理工大學(xué)肖文德研究員為本文的通訊作者。北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士研究生肖佩瑤為論文第一作者，李驥博士為論文的共同第一作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2020YFA0308800)、國(guó)家自然科學(xué)基金(Nos. 12274029, 11802306, 12321004)、以及北京理工大學(xué)物理學(xué)院先進(jìn)光電量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京理工大學(xué)納米光子學(xué)與超精密光電系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
Peiyao Xiao#,Ji Li#,Douxing Pan*,Yongkai Li,Kejun Yu,Xu Zhang,Lu Qiao,Xianglin Peng,Lin Hu, Dongfei Wang,Zhiwei Wang,Wende Xiao*,Yugui Yao “Twist-dependent semiconductor-to-metal transition in epitaxial bilayer α-antimonene” Nano Lett. 25, 3166–3172 (2025) (#為共同一作，*為通訊作者)
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