Phys. Rev. Lett.：多价驱动形成碲基多层材料：一项第一性原理计算与实验结合的研究

【引言】

二维材料研究的突飞猛进在当今科学领域有目共睹，所包含的材料各具奇特的性质，且有着基础或应用层面的重要意义。近年来，为将其应用于用于多种仪器设备中，对二维材料的奇特性质展开了深入研究及开发。继首个石墨烯系二维材料之后，包括硅烯和锡烯在内的第四族单层材料，第五族单层材料黑磷烯、蓝磷烯和锑烯，第三族单层的硼烯……许多二维材料被合成出来。除此之外，过渡金属双硫属化合物凭借其相对宽、可调谐的直接带隙以及较强的本征自旋轨道耦合，受到了大量关注。然而，直至今日仍让人迷惑的是，没有第六族元素的单层材料被预测或制备出来，其存在的可能性不仅进一步丰富了研究者们对二维材料领域范围的理解，还可以从它们奇特的物理化学性能出发，提出新的应用方向。

【成果简介】

中国科学技术大学张振宇教授和郑州大学贾瑜教授（共同通讯作者）在Physical Review Letters上发表了一篇题为“Multivalency-Driven Formation of Te-Based Monolayer Materials: A Combined First-Principles and Experimental study”的文章，通过将粒子群算法和第一性原理的密度泛函理论计算相结合，研究人员预测了一种新的二维单层材料，命名为碲烯，由准金属元素碲组成，具有α-Te，β-Te和γ-Te三种结构。碲有多化合价这一本征属性是根本的形成机制。中间层的碲主要表现为金属性质（例如，Mo)，两个外层主要表现为半导体性质（例如，S）。同时，α-Te相被沿块状碲的三角结构的[001]方向缩短的三层分割，而自发地从厚层中产生。α-Te和β-Te相有着比MoS₂更高的电子迁移率和空穴迁移率。并且，作者提出了初步但具有可说服力的实验证据，呈现了在高定向热解石墨基底上的碲分层行为，并预测Se的层状行为中多价态的重要性。这些发现有效地将二维材料的范围扩展到了第六族元素。

【图文导读】

图1：不同相的碲烯最佳结构的顶视图和侧视图

(a) α-Te (b) β-Te (c) γ-Te。(d)为α相（或β相）布里渊区的表面。虚线表示每个结构的单胞，在水平和垂直相交区域的蓝色点状线表示总电荷密度。

图2：各相的能带结构

(a) α-Te (b) β-Te (c) γ-Te，由PBE模式得到的曲线，含有SOC为实线，不含有SOC为虚线。(d) 由PBE模式（PBE+SOC）和HSE模式（HSE+SOC）得到的带隙，用天蓝色柱和红色柱分别表示。

图3：二维Te结构分析

 (a)根据薄膜厚度得到的完全弛豫的二维Te形成能，值越小代表结构越稳定。正的E_f值表示块体Te-I的结构不稳定。插图表示E_f的二阶差分，正值表示系统更加稳定。

(b)根据厚度所得，弛豫的二维Te层状分解后中间层的空间分布。虚线表示块体Te的原子层状区域。

(c-d)N=8或9时，结构最优化前后二维Te的几何结构，相应结构在下方标出。

图4：STM显微图像

(a)HOPG基底上生长的外延Te薄膜的STM显微图像（图像尺寸：75×75nm²，隧道电流：100pA，样本偏差：0.6V）。插图为沿黑线的高度剖面。

(b)原子分辨STM图像（尺寸：3.5×2.2nm²），矩形单元结构如图所示。

(c)β-Te相双层膜的侧视图，成仙了计算得到的单层厚度和中间层空间区域。

【小结】

在本项工作中，最新的结合第一性原理计算的全面结构搜索可发现成分为第五族元素Te的新型二维材料。这些称作碲烯的新二维材料能够以类MoS₂（α-Te, γ-Te）和四方结构（β-Te）形式稳定存在，他们的潜在形成机制植根于Te的本征多价性。α-Te和β-Te单层材料表现出优异的光吸收能力，具有比MoS₂更高的迁移速度。α-Te多层结构可在块状截断薄膜中自发生成，通过奇特的厚度相关结构相。相邻碲烯层间的耦合是范德华型的，使得碲烯的层分离可通过机械剥离较容易地实现。作者提出了初步但具有可说服力的实验证据，呈现了在高定向热解石墨基底上的碲分层行为，并预测Se的层状行为中多价态的重要性。这些发现有效地将二维材料的范围扩展到了第六族元素。

文献链接：Zhu Z, Cai X, Yi S, et al. Multivalency-Driven Formation of Te-Based Monolayer Materials: A Combined First-Principles and Experimental study[J]. Physical Review Letters, 2017, 119(10): 106101.

本文由材料人计算材料学术组孙胜君编译，材料牛整理编辑。

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