上海微系统所在Nature Electronics报道新型碳基二维半导体材料基本物性研究重大进展

以石墨烯为代表的碳基二维材料自发现以来受到了广泛关注。然而，石墨烯的零带隙半导体性质严重限制了其在微电子器件领域的应用。针对该情况，中国科学院上海微系统与信息技术研究所杨思维博士，丁古巧研究员等人自2013年开展新型碳基二维半导体材料的制备研究，2014年1月成功制备了由碳和氮原子构成的类石墨烯蜂窝状无孔有序结构半导体C3N单层材料（图1），并发现该材料在电子注入后产生的铁磁长程序。相关成果于2017年2月以封面论文形式发表于Adv. Mater.（C3N—A 2D Crystalline, Hole‐Free, Tunable‐Narrow‐Bandgap Semiconductor with Ferromagnetic Properties, Advanced Materials）。C3N的成功合成弥补了石墨烯无带隙的重大缺憾，为碳基纳米材料在微电子器件的应用提供了新的选择，并引起了广泛关注。然而，相比于目前研究已经比较成熟的石墨烯，C3N的研究起步较晚，该材料的基本物性研究仍有大量空白有待填补。

图1. C3N晶格结构及氢化后铁磁长程序

上述工作发表同时，杨思维博士于2016年初步实现AA'及AB'堆垛双层C3N的制备（图2）。在此基础上，中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧研究员团队与华东师范大学袁清红研究员团队通过近5年努力，借助实验技术与理论研究，在双层C3N的带隙性质，输运性质等研究领域取得重大突破，结果进一步证明双层C3N在纳米电子学等领域的重要应用潜力。

图2. AA'（a-c）及AB'（d-f）堆垛双层C3N的HAADF-STEM图像

该工作证明了通过控制堆垛方式实现双层C3N从半导体到金属性转变的可行性。与本征带隙为1.23 eV的单层C3N相比，双层C3N的带隙大致可以分为三种：1）接近金属性的AA和AA'堆垛；2）带隙比单层减少将近30%的AB和AB'堆垛；3）与单层带隙相近的双层摩尔堆垛。上述带隙变化可归因于顶层与底层C3N间pz轨道耦合下费米能级附近能带的劈裂。在双层之间相互作用势接近的前提下，价带顶和导带底波函数重叠的数目决定了能带劈裂程度，进而影响带隙。其中AA 、AA'、AB 、AB'等双层C3N中，两层波函数重叠的数目存在两倍关系，带隙劈裂值为近似两倍关系。而对于双层摩尔旋转条纹结构，上下层原子基本错开，pz轨道的重叠有限，其因此带隙与单层C3N接近。

更重要的是，研究还发现通过施加外部电场可实现AB'堆垛双层C3N带隙的调制。实验结果表明，在1.4 V nm-1的外加电场下，AB'堆垛的双层C3N的带隙下降约0.6 eV，实现从半导体到金属性的转变（图3）。

图3. 双层C3N在电场下的带隙调制

上述工作是C3N材料实验与理论研究的又一重要突破，为进一步构建新型全碳微电子器件提供了重要的支撑。相关研究成果以“Stacking-Induced Bandgap Engineering of 2D-Bilayer C3N”为题在线发表于Nature Electronics。

论文第一作者为华东师范大学在读博士生魏文娅，中科院上海微系统所助理研究员杨思维博士，宁波大学副教授王刚博士。通讯作者为华东师范大学袁清红教授，中科院上海微系统所丁古巧研究员、苏州大学康振辉教授、昆士兰大学Debra J. Searles院士。该工作研究期间，微系统所丁古巧、杨思维团队负责双层C3N的制备、堆垛调制、结构表征、器件制备；华东师范大学袁清红研究员团队负责双层C3N物理机制阐述；宁波大学王刚副教授团队负责双层C3N光电探测应用演示。