Phys.Rev.Lett.：多價驅動形成碲基多層材料：一項第一性原理計算與實驗結合的研究

【引言】

二維材料研究的突飛猛進在當今科學領域有目共睹，所包含的材料各具奇特的性質，且有著基礎或應用層面的重要意義。近年來，為將其應用於用於多種儀器設備中，對二維材料的奇特性質展開了深入研究及開發。繼首個石墨烯系二維材料之後，包括硅烯和錫烯在內的第四族單層材料，第五族單層材料黑磷烯、藍磷烯和銻烯，第三族單層的硼烯……許多二維材料被合成出來。除此之外，過渡金屬雙硫屬化合物憑藉其相對寬、可調諧的直接帶隙以及較強的本徵自旋軌道耦合，受到了大量關注。然而，直至今日仍讓人迷惑的是，沒有第六族元素的單層材料被預測或製備出來，其存在的可能性不僅進一步豐富了研究者們對二維材料領域範圍的理解，還可以從它們奇特的物理化學性能出發，提出新的應用方向。

【成果簡介】

中國科學技術大學張振宇教授和鄭州大學賈瑜教授（共同通訊作者）在Physical Review Letters上發表了一篇題為「Multivalency-Driven Formation of Te-Based Monolayer Materials: A Combined First-Principles and Experimental study」的文章，通過將粒子群演算法和第一性原理的密度泛函理論計算相結合，研究人員預測了一種新的二維單層材料，命名為碲烯，由准金屬元素碲組成，具有α-Te，β-Te和γ-Te三種結構。碲有多化合價這一本徵屬性是根本的形成機制。中間層的碲主要表現為金屬性質（例如，Mo)，兩個外層主要表現為半導體性質（例如，S）。同時，α-Te相被沿塊狀碲的三角結構的[001]方向縮短的三層分割，而自發地從厚層中產生。α-Te和β-Te相有著比MoS2更高的電子遷移率和空穴遷移率。並且，作者提出了初步但具有可說服力的實驗證據，呈現了在高定向熱解石墨基底上的碲分層行為，並預測Se的層狀行為中多價態的重要性。這些發現有效地將二維材料的範圍擴展到了第六族元素。

【圖文導讀】

圖1：不同相的碲烯最佳結構的頂視圖和側視圖

(a) α-Te (b) β-Te (c) γ-Te。(d)為α相（或β相）布里淵區的表面。虛線表示每個結構的單胞，在水平和垂直相交區域的藍色點狀線表示總電荷密度。

圖2：各相的能帶結構

(a) α-Te (b) β-Te (c) γ-Te，由PBE模式得到的曲線，含有SOC為實線，不含有SOC為虛線。(d) 由PBE模式（PBE+SOC）和HSE模式（HSE+SOC）得到的帶隙，用天藍色柱和紅色柱分別表示。

圖3：二維Te結構分析

(a)根據薄膜厚度得到的完全弛豫的二維Te形成能，值越小代表結構越穩定。正的Ef值表示塊體Te-I的結構不穩定。插圖表示Ef的二階差分，正值表示系統更加穩定。

(b)根據厚度所得，弛豫的二維Te層狀分解後中間層的空間分布。虛線表示塊體Te的原子層狀區域。

(c-d)N=8或9時，結構最優化前後二維Te的幾何結構，相應結構在下方標出。

圖4：STM顯微圖像

(a)HOPG基底上生長的外延Te薄膜的STM顯微圖像（圖像尺寸：75×75nm2，隧道電流：100pA，樣本偏差：0.6V）。插圖為沿黑線的高度剖面。

(b)原子分辨STM圖像（尺寸：3.5×2.2nm2），矩形單元結構如圖所示。

(c)β-Te相雙層膜的側視圖，成仙了計算得到的單層厚度和中間層空間區域。

【小結】

在本項工作中，最新的結合第一性原理計算的全面結構搜索可發現成分為第五族元素Te的新型二維材料。這些稱作碲烯的新二維材料能夠以類MoS2（α-Te, γ-Te）和四方結構（β-Te）形式穩定存在，他們的潛在形成機制植根於Te的本徵多價性。α-Te和β-Te單層材料表現出優異的光吸收能力，具有比MoS2更高的遷移速度。α-Te多層結構可在塊狀截斷薄膜中自發生成，通過奇特的厚度相關結構相。相鄰碲烯層間的耦合是范德華型的，使得碲烯的層分離可通過機械剝離較容易地實現。作者提出了初步但具有可說服力的實驗證據，呈現了在高定向熱解石墨基底上的碲分層行為，並預測Se的層狀行為中多價態的重要性。這些發現有效地將二維材料的範圍擴展到了第六族元素。

文獻鏈接：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.

本文由材料人計算材料學術組孫勝君編譯，材料牛整理編輯。

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