二维半导体材料与器件——从传统二维光电材料到石墨炔

近年来,二维半导体材料由于其独特的材料结构和电子输运特性得到了科学界的广泛关注,被应用于光电器件、催化和生物传感器等领域。本文系统概述了传统二维材料以及新兴二维材料石墨炔的发现和发展历程。重点聚焦在二维材料在光探测器领域中的应用,探讨了不同二维材料体系及器件结构对光探测器性能的影响;并详细介绍了新兴二维材料——石墨炔,及其合成和应用。展望了传统二维材料及石墨炔在光电转换器件应用中所面临的机遇和挑战。     

二维半导体材料与器件——从传统二维光电材料到石墨炔

近年来,二维半导体材料由于其独特的材料结构和电子输运特性得到了科学界的广泛关注,被应用于光电器件、催化和生物传感器等领域。本文系统概述了传统二维材料以及新兴二维材料石墨炔的发现和发展历程。重点聚焦在二维材料在光探测器领域中的应用,探讨了不同二维材料体系及器件结构对光探测器性能的影响;并详细介绍了新兴二维材料——石墨炔,及其合成和应用。展望了传统二维材料及石墨炔在光电转换器件的应用中所面临的机遇和挑战。     

新型二维半导体设计研究取得突破

<正>近期,南京理工大学纳米光电材料研究所曾海波团队,在全新二维半导体设计方面取得重要突破,相关成果以"Atomically Thin Arsenene and Antimonene:Semimetal-Semiconductor and Indirect-Direct Band-Gap Transitions"为题在线发表于《德国应用化学》(Angew.Chem.In.Ed.,2015,DOI:10.1002/anie.201411246),并被选为"热点文章(Hot Paper)"、期刊封面。该期刊由德国Wiley公司出版,是化学与材料等学科顶尖期刊,影响因子为11.3。第一作者为张胜利博士,曾海波教授为通讯作者。近年来,原子级厚度二维晶体材料,如石墨烯、硅烯和锗烯等,展现出卓越的性能,被广泛应用     

二维半导体合金的制备、结构和性质

原子层厚度的二维半导体材料因具有特殊的低维效应而被广泛研究. 面向光电器件应用, 需要可控调节二维半导体材料的能带结构, 包括带隙、价带/导带位置等. 合金方法是一种调控半导体能带的通用方法. 本综述介绍了近几年来二维半导体合金材料的研究进展, 包括材料的热力学稳定性、可控制备、结构表征和性质研究. 介绍的材料体系是过渡金属二硫族化物的单层合金材料, 金属元素主要是第六副族的Mo和W, 硫族元素主要是S和Se.     

二维半导体材料纳米电子器件和光电器件

近年来,随着各领域对微电子器件集成度及性能要求的不断提高,发展基于二维半导体材料的新型高性能功能性器件成为了突破当前技术瓶颈的重要环节和关键方向。目前,作为新型二维半导体材料的代表,二维过渡金属二硫化物、二维黑磷以及范德瓦尔斯异质结凭借其在电学、热学、机械、光学等方面的优异性能已经成为了发展高性能纳米电子器件和光电器件的最具潜力的材料之一。在本综述中,首先概述了几种用于纳米器件的常见二维材料,分析了材料的结构、性能及其在纳米器件中的应用,其次重点对基于过渡金属二硫化物、黑磷以及由其衍生的范德瓦尔斯异质结的纳米电子器件和光电器件的最新研究进展进行讨论,最后对目前二维半导体纳米器件所面临的挑战以及未来的发展方向进行总结及分析,从而为未来发展高性能功能性纳米器件提供支持。     

石墨炔与锡烯层状体系的形变势和电声耦合及载流子传输理论研究

我们对sp + sp²杂化的碳同素异形体—石墨炔,以及锡烯等层状体系的电子结构、形变势、电声耦合和电荷输运性质进行了回顾。有些二维石墨炔具有类似石墨烯的狄拉克锥,同时石墨炔电子结构可通过将其沿不同方向裁剪成不同宽度一维纳米带来调节。采用玻尔兹曼输运方程和形变势近似,结合第一性原理计算,我们预测石墨炔电荷载流子室温迁移率可达10⁴–10⁵ cm²·V^-1·s^-1,尤其6, 6, 12-石墨炔,因有两个狄拉克锥及比石墨烯弱的电声耦合,其室温迁移率甚至能高于石墨烯。因此具有独特电子结构和高迁移率的石墨炔能成为继石墨烯之后未来的纳米电子器件材料。此外我们着重分析了形变势方法的适用性：密度泛函微扰理论和瓦尼尔插值技术能精确计算任意波矢和模式的声子对载流子散射,该方法在石墨烯和石墨炔上的运用表明二维平面碳材料中对载流子输运起主导作用的是长波长纵声学声子散射,因而形变势方法是适用的;但通过对锡烯等二维非平面buckling结构的材料声子散射和迁移率的计算,发现此类不具备σ_h对称性的材料有较强的面外声子散射和横声学声子谷间散射,使得常用的形变势失效。     

新型金属硫化物二维半导体材料性质探明

<正>中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室博士后杨圣雪、博士生李燕,在研究员李京波、中科院院士李树深和夏建白等人的指导下,取得二维GaS超薄半导体基础研究的新进展,探明了新型超薄金属硫化物二维半导体材料性质。相关成果发表在英国皇家化学会主办的《纳米尺度》上,并被选为热点论文。二维半导体材料拥有独特物理性质,成为了纳米交叉学科的研究热点。石墨烯是目前研究最为广     

人工神经网络法预测二维色谱柱效

 采用基于变步长BP算法的人工神经网络,对高效微 填充柱-毛细管柱构成的二维柱色谱系统建立了柱效与影响因素的权接拓扑模型, 并用于不同操作条件下二维柱系统的柱效预测中,取得了较好的效果。     

二维黑磷的结构、制备和性能

磷有多种同素异构体: 红磷、白磷、黑磷, 其中黑磷热力学稳定. 二维材料因其低维效应而备受关注, 而近期二维黑磷的成功制备使其成为二维材料的新成员. 二维黑磷是带隙可调的片层结构半导体材料, 在光电领域有很大的潜力, 因而备受瞩目. 本文大量引用参考文献, 综述了黑磷的结构、制备方法, 并详细介绍了二维黑磷的各种性质及其器件性能的研究, 以及化学稳定性及防降解措施. 最后分析了二维黑磷的研究发展趋势.     

二维/二维FeNi-LDH/g-C3N4复合光催化剂用于促进CO2光还原反应

Photocatalytic reduction of carbon dioxide into chemical fuels is a promising route to generate renewable energy and curtail the greenhouse effect. Therefore, various photocatalysts have been intensively studied for this purpose. Among them, g-C₃N₄, a 2D metal-free semiconductor, has been a promising photocatalyst because of its unique properties, such as high chemical stability, suitable electronic structure, and facile preparation. However, pristine g-C₃N₄ suffers from low solar energy conversion efficiency, owing to its small specific surface area and extensive charge recombination. Therefore, designing g-C₃N₄ (CN) nanosheets with a large specific surface area is an effective strategy for enhancing the CO₂ reduction performance. Unfortunately, the performance of CN nanosheets remains moderate due to the aforementioned charge recombination. To counter this issue, loading a cocatalyst (especially a two-dimensional (2D) one) can enable effective electron migration and suppress electron-hole recombination during photo-irradiation. Herein, CN nanosheets with a large specific surface area (97 m²·g^-1) were synthesized by a two-step calcination method, using urea as the precursor. Following this, a 2D/2D FeNi-LDH/g-C₃N₄ hybrid photocatalyst was obtained by loading a FeNi layered double hydroxide (FeNi-LDH) cocatalyst onto CN nanosheets by a simple hydrothermal method. It was found that the production rate of methanol from photocatalytic CO₂ reduction over the FeNi-LDH/g-C₃N₄ composite is significantly higher than that of pristine CN. Following a series of characterization and analysis, it was demonstrated that the FeNi-LDH/g-C₃N₄ composite photocatalyst exhibited enhanced photo-absorption, which was ascribed to the excellent light absorption ability of FeNi-LDH. The CO₂ adsorption capacity of the FeNi-LDH/g-C₃N₄ hybrid photocatalyst improved, owing to the large specific surface area and alkaline nature of FeNi-LDH. More importantly, the introduction of FeNi-LDH on the CN nanosheet surface led to the formation of a 2D/2D heterojunction with a large contact area at the interface, which could promote the interfacial separation of charge carriers and effectively inhibit the recombination of the photogenerated electrons and holes. This subsequently resulted in the enhancement of the CO₂ photo-reduction activity. In addition, by altering the loading amount of FeNi-LDH for photocatalytic performance evaluation, it was found that the optimal loading amount was 4% (w, mass fraction), with a methanol production rate of 1.64 μmol·h^-1·g^-1 (approximately 6 times that of pure CN). This study provides an effective strategy to improve the photocatalytic CO₂ reduction activity of g-C₃N₄ by employing 2D layered double hydroxide as the cocatalyst. It also proposes a protocol for the successful design of 2D/2D photocatalysts for solar energy conversion.      

二维大分子的构象及凝聚态调控

近年来,二维大分子蓬勃发展,已经成为继经典线形与支化拓扑大分子之后的一个重要分支.二维大分子不但补全了经典高分子科学中缺失的二维分子维度,而且成为具有广泛且重要应用前景的材料新体系,将延续高分子科学在国民经济生产生活中的重要作用.类比成熟的线形高分子系统,深入理解二维大分子的构象与凝聚态并建立精确的材料结构调控方法是其发展的基础,目前仍然处于起步阶段.本文以我们课题组的研究工作为主线,以氧化石墨烯为二维大分子理想模型,总结了二维大分子构象行为与凝聚态结构调控的研究思路与进展.简要回顾了二维大分子构象的研究历史,介绍了构象行为规律、液晶凝聚态以及固态凝聚结构调控方法的系列新进展,并对未来二维大分子构象及凝聚态研究进行了展望,为二维大分子及材料的发展提供了新思路.     

移动窗口二维相关光谱技术

移动窗口二维相关光谱是一种新的二维相关分析方法,它将移动窗口的概念和二维相关分析方法有效地结合在了一起,利用移动窗口将庞大的光谱数据按矩阵分割成若干个便于操作的子矩阵,用二维相关光谱分别处理,将得到的结果综合分析,用以光谱变量和扰动变量为坐标的等高图表现出来,从中可以非常直观地观察出光谱强度在扰动变量方向上的变化,进而找出引起光谱强度突变的特征扰动点。本文主要介绍了移动窗口二维相关光谱的计算方法、基本特征、影响因素和实际应用,同时还详细介绍了以它为基础改进得到的扰动相关移动窗口二维相关光谱。扰动相关移动窗口二维相关光谱包括同步图和异步图,它不仅能很好地反映出引起光谱强度突变的特征扰动,还能详尽地描述出光谱强度在扰动过程中的变化情况。     

蛋白质二维红外相干光谱的理论研究

多肽对红外激光脉冲的非线性响应中包含了丰富的结构动力学信息。本文以肽链的酰胺振动跃迁为例,提出了模拟二维红外相干光谱的理论方案。文中首先介绍了激子模型下非线性响应的微扰图像,并基于激子模型、经典分子动力学模拟和密度泛函静电势,构建酰胺振动模式有效波动哈密顿量。采用随机刘维尔方程(SLE)、数值演化(NP)、高斯波动的累积展开等方法计算非线性响应光谱。文章最后对多肽及多肽复合物等体系的二维红外信号进行模拟和讨论。     

二维相关振动光谱技术

从发展历史、计算方程、性质规则等方面系统地介绍了近年来发展起来的二维相关光谱技术.结合各种常见的一维振动光谱, 如红外、拉曼、荧光、近红外-红外等光谱举例阐述了二维振动光谱的优势及其普适性.介绍了在广义二维相关光谱理论上最新延伸发展起来的二维样品-样品相关技术和二维杂化相关技术的基本理论, 并将之与传统的二维变量-变量相关技术(广义二维相关光谱)进行了比较.     

新型二维碳化物晶体储锂性能的理论研究

MXenes是一类新型的二维金属碳化物或碳氮化物.本文使用密度泛函理论,分别研究了其中Ti₂C、Nb₂C和V₂C的结构与储锂性能,以及表面氟(F)官能团对其结构和储锂性能的影响.吸附能、态密度和电荷布居的计算结果表明:该二维晶体表面可以吸附双层锂原子. Ti₂C、V₂C和Nb₂C最高储Li的理论比容量分别为995.04、941.31、541.93 mAh·g^-1.此外, F官能团可以有效提高这三种二维晶体锂化结构的稳定性与导电性.     

二维液相色谱接口技术

二维液相色谱具有峰容量大、分辨率高、分析速度快等优点,已经成为复杂样品分离分析的重要工具。两种分离模式的转换通常需要经过一个特殊接口来完成,接口是二维液相色谱系统的核心,也是限制二维液相色谱应用的瓶颈;两种流动相不互溶时,接口尤为重要。本文针对二维液相色谱接口技术近期的发展和应用进行总结。引用文献51篇。     

广义二维相关光谱学进展

介绍了一种重要的广义二维相关光谱方法,对其基本原理、获取谱图的方法、数学计算过程、谱图的性质及其解释规则等作了详细的介绍,并介绍了其在化学、物理、生物、医药等领域中的应用。     

基于多层二硒化钨的高性能场效应晶体管的实验优化和理论模拟

采用微机械剥离法制备了基于不同厚度的高质量WSe₂纳米片的场效应晶体管(WSe₂-FETs), 研究了其性能的影响因素. 通过调控WSe₂纳米片及介电层的厚度、 测试温度及退火处理等, 结合理论模拟分析, 获得了WSe₂-FETs的最佳电学性能. 最终, 基于7层WSe₂纳米片的场效应晶体管表现出最优异的电学性能, 室温下载流子迁移率可达93.17 cm²·V^?1·s^?1; 在78 K低温下, 载流子迁移率高达482.78 cm²·V^?1·s^?1.     

二维钙钛矿光伏器件

有机-无机杂化卤化物钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PSCs)由于其成本低廉、制备工艺简单、光电转换率高等优点引起了越来越多的关注,在下一代半导体光伏技术中显示出巨大的发展潜力。然而PSCs器件在商业化生产应用之前,必须解决某些关键问题,例如器件在湿度、光照和过热条件下缺乏稳定性,性能会急剧衰退。层状二维(two-dimensional, 2D)钙钛矿由于其优异的环境稳定性而受到研究人员的广泛关注。通过引入不同种类的疏水性大体积有机铵阳离子可以在钙钛矿体内形成稳定的2D结构。然而,由于绝缘有机间隔阳离子的存在,使其电荷输运能力受阻并影响光电转换性能。本文根据不同种类2D钙钛矿光伏器件的发展进程,总结了影响2D钙钛矿结构和性能的关键问题,如晶体垂直取向设计、量子阱调控和有机层间隔阳离子替换工程等。最后对2D PSCs的未来发展进行展望。     

二维高分子的制备、组装及其高效电化学应用

二维高分子是通过共价键连接的在二维平面内具有周期性排列结构的分子片,因其具备质轻、柔性、可调结构和高适应性等优点近年来受到了国内外研究学者的广泛关注.可控制备二维高分子对于研究二维高分子的结构与性能关系、合成特定功能化改性的二维高分子具有重要的意义.本文以本课题组的研究工作为出发点首先围绕一种天然二维高分子材料(石墨烯...