北科納米可提供MXene材料（可定制）

研究摘要

傳統(tǒng)MXene材料為二維過(guò)渡金屬碳化物，氮化物或碳氮化物。由于MXene材料具有優(yōu)異的機(jī)械、電子性質(zhì)，且呈現(xiàn)豐富的化學(xué)組分及表面功能化調(diào)控空間，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于能量，電子，催化，生物醫(yī)學(xué)，傳感等領(lǐng)域。目前理論預(yù)測(cè)的MXene結(jié)構(gòu)多達(dá)100多種，實(shí)驗(yàn)上具有明確化學(xué)計(jì)量比的MXene也超過(guò)了40多種。在MXene蝕刻過(guò)程中，通常利用表面官能團(tuán)鈍化裸露的MXene，從而顯著調(diào)控其物理和化學(xué)特性。不同表面終端官能團(tuán)修飾的MXene具有不同的電子性質(zhì)，包括高導(dǎo)電性金屬、半金屬、半導(dǎo)體與（拓?fù)洌┙^緣狀態(tài)。然而，具有直接帶隙的半導(dǎo)體MXene結(jié)構(gòu)卻十分稀少，僅僅只有Sc2C(OH)2, Y2C(OH)2, 和Cr2TiC2(OH)2，極大地限制了MXene材料在光電領(lǐng)域的應(yīng)用。

為解決上述科學(xué)問(wèn)題，廣泛調(diào)研發(fā)現(xiàn)二維的Tl2O是一個(gè)具有高載流子遷移率的直接半導(dǎo)體材料，但Tl元素的有毒性和稀缺性，嚴(yán)重限制了它的實(shí)際應(yīng)用。我們基于地球含量豐富且對(duì)環(huán)境友好的Ti元素，設(shè)計(jì)了兩種二維過(guò)渡金屬氧化物MOene材料，即2H-和1T-Ti2O單層。理論模擬顯示它們具有高的動(dòng)力學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，且通過(guò)進(jìn)一步的表面鹵化調(diào)控，2H-和1T-Ti2OX2(X=F, Cl和Br)表現(xiàn)為半導(dǎo)體特征，其中Ti2OF2和Ti2OCl2為直接半導(dǎo)體，Ti2OBr2為間接半導(dǎo)體，它們的帶隙值在0.58-1.18 eV。此外，體相的1T-Ti2O早在1970年就已經(jīng)被合成，最近，通過(guò)熔鹽法和脈沖激光沉積技術(shù)也得到了具有高導(dǎo)電性的1T-Ti2O金屬薄膜。進(jìn)一步可以通過(guò)類(lèi)似的沉積或用冷凍水分子來(lái)分層1T-Ti2O薄膜來(lái)來(lái)制備。鹵化的ＭＯene是理想半導(dǎo)體材料，擴(kuò)展了傳統(tǒng)MXene材料在光電領(lǐng)域的應(yīng)用。

成果簡(jiǎn)介

近日，電子科技大學(xué)物理學(xué)院周柳江教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)高通量結(jié)構(gòu)搜索和第一性原理計(jì)算相結(jié)合，設(shè)計(jì)了兩種二維過(guò)渡金屬氧化物MOene材料，即2H-和1T-Ti2O單層。它們具有高的動(dòng)力學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，且Bardeen–Cooper–Schrieffer理論證明是二維超導(dǎo)體。通過(guò)進(jìn)一步的表面鹵化調(diào)控，2H-和1T-Ti2OX2(X=F, Cl和Br)表現(xiàn)為半導(dǎo)體特征，其中Ti2OF2和Ti2OCl2為直接半導(dǎo)體，它們的帶隙值在0.58-1.18 eV?；诙囿w理論，通過(guò)考慮激子效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诩t外和可見(jiàn)光波段具有優(yōu)異的光吸收能力，可用于光電探測(cè)與太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。除此之外，應(yīng)力工程對(duì)受對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的單層2H-Ti2OF2和Ti2OCl2可誘導(dǎo)量子相變，在較小應(yīng)力下可觀察二維pseudospin-1和Weyl費(fèi)米子。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)非絕熱分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)2H-和1T-Ti2OF2的載流子有效壽命可達(dá)到0.39和2.8納秒，比肩主流的二維半導(dǎo)體材料。這項(xiàng)研究工作擴(kuò)展了類(lèi)MXene材料中的新興量子物理現(xiàn)象，為下一代光電材料與器件研究提供新的候選材料。

該成果在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊Nano Letters?(影響因子11.19) 上，題目為：Two Dimensional MOene: From Superconductors to Direct Semiconductors and Weyl Fermions。燕羅為本文第一作者。

圖文導(dǎo)讀

圖1.?MOene晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖。(a) 2H-Ti2O,（b）1T-Ti2O，(c) 2H-Ti2OX2和1T-Ti2OX2(X=F, Cl, Br)的結(jié)構(gòu)。

圖2.?以Ti-3d軌道投影的能帶圖。(a) 2H-Ti2O自旋向上的能帶圖和態(tài)密度。（b）2H-Ti2OF2和（c）1T-Ti2OF2的能帶圖及光學(xué)躍遷。

圖3.?2H-Ti2OF2的量子相變過(guò)程。(a-c)?在三種典型雙軸應(yīng)變下的能帶圖。（d）在雙軸應(yīng)變作用下的相變過(guò)程示意圖。量子相變過(guò)程中產(chǎn)生的兩種新穎費(fèi)米子（e）二維pseudospin-1費(fèi)米子和二維 Weyl費(fèi)米子。

圖4.?考慮激子效應(yīng)的光吸收。(a) 2H-Ti2OF2和（c）基于G0W0+RPA 和G0W0+BSE方法計(jì)算的1T-Ti2OF2的宏觀極化的虛部。(b) 2H-Ti2OF2和（d）1T-Ti2OF2中激子分布的俯視圖。

圖5.?載流子壽命擬合。?(a) 2H-Ti2OF2和（b）1T-Ti2OF2的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底的電荷分布。2H-Ti2OF2和1T-Ti2OF2的(c) 光譜密度和（d, e）以熱電子占據(jù)數(shù)擬合的載流子壽命。

總結(jié)

本文設(shè)計(jì)和分析了2H-和1T-Ti2O MOene，基于Bardeen–Cooper–Schrieffer超導(dǎo)理論，表面它們都是本征二維超導(dǎo)體，超導(dǎo)溫度分別為9.8和4.7 K，高于大部分已報(bào)道的傳統(tǒng)MXene超導(dǎo)體。它們的電子結(jié)構(gòu)特征與表面終端官能團(tuán)密切相關(guān)，氟化和氧化的Ti2O表現(xiàn)為半導(dǎo)體特性，而氫化和羥基化后表現(xiàn)為半金屬特征。特別是氟化后的2H-和1T-Ti2O均為直接半導(dǎo)體，帶隙約為1eV，可適用于光電領(lǐng)域。因此，我們系統(tǒng)地的研究了鹵化的Ti2O結(jié)構(gòu)，即2H-和1T-Ti2OF2?(X=F, Cl, Br，I)。當(dāng)考慮激子效應(yīng)時(shí)，它們?cè)诩t外和可見(jiàn)光區(qū)域都有著不錯(cuò)的光吸收，可適用于紅外探測(cè)和太陽(yáng)能電池材料。而且2H-和1T-Ti2OX2的激子束縛能比較小，有利于載流子的分離。此外，可通過(guò)合適的應(yīng)力調(diào)控，在2H-Ti2OF2和Ti2OCl2中可產(chǎn)生新穎的費(fèi)米子：二維pseudospin-1費(fèi)米子和二維 Weyl費(fèi)米子?；诜墙^熱分子動(dòng)力學(xué)，2H-和1T-Ti2OF2的載流子壽命能達(dá)到納秒級(jí)別，比肩主流的二維半導(dǎo)體材料，表明它們?cè)诠怆姾凸夥I(lǐng)域有著不錯(cuò)的應(yīng)用前景。這項(xiàng)工作極大拓寬傳統(tǒng)MXene材料的范圍，并為未來(lái)具有多功能的二維MOene材料的合理設(shè)計(jì)提供線索。

文獻(xiàn)鏈接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c01914

原文直達(dá)請(qǐng)點(diǎn)擊推文左下角?閱讀原文

特別鳴謝本文作者的大力支持

研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

周柳江教授帶領(lǐng)的光物質(zhì)相互作用與光學(xué)晶體團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于光電子晶體材料與器件、半導(dǎo)體材料與物理、光-物質(zhì)相互作用、計(jì)算凝聚態(tài)物理、計(jì)算材料、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面的研究。曾先后主持電子科技大學(xué)杰出人才、國(guó)家海外引進(jìn)杰出人才、四川省科技廳、中央高校基本科研業(yè)務(wù)、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題及美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室引導(dǎo)研究與發(fā)展基金等多個(gè)項(xiàng)目。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議上作大會(huì)和特邀報(bào)告30余次，主辦國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議2次。

課題組還從微觀層面系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系列二維量子材料，包括B2O、MSi2N4?(M = Ta and Nb)、MC (M = Ti, Zr, Hf)、MX (M = Cu, Ag, Au; X = Cl, Br, I), ZrX2?(X = Cl, Br, and I)等，它們?cè)诔瑢?dǎo)、可充放電電池負(fù)極材料、量子剪裁、光電探測(cè)、形狀記憶、太陽(yáng)能電池、量子輸運(yùn)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)工作分別發(fā)展在npj Comput. Mater., Nanoscale,?J. Phys. Chem. Lett., Appl. Phys. Lett.等國(guó)際高水平SCI期刊上。

課題組鏈接：

https://www.x-mol.com/groups/zhou_liujiang? ? ???

論文鏈接：?https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c01914

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0091726??

https://www.nature.com/articles/s41524-020-00365-9?

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c03138

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.1c01958

https://doi.org/10.1039/D1NR05560G