一步合成和计算模拟具有可调谐电子和光响应性质的二维卤化锑烯

第一作者：苏柳梅，汤贤

通讯作者：李煜博士，张晗教授

通讯单位：深圳大学

核心提示

1、近日，深圳大学李煜博士、张晗教授(共同通讯作者)等通过电化学剥离与同步卤化技术一步合成了表面功能化的少层锑烯，利用能带工程实现了少层锑烯从结构到电子和光学性质的有效调控，并在AFM上发表了题为“Halogenated Antimonene: One-StepSynthesis, Structural Simulation, Tunable Electronic and Photoresponse Property”的研究论文。

2、结合分子动力学模拟和第一性原理计算，进一步研究了锑烯卤化效应对电子性质和光学性质的影响。

3、该工作中通过电化学合成与同步卤化来调控二维材料电子特性的简便方法可推广到其他二维材料的化学功能化调控，并应用于电子和光电领域。

研究背景

1、石墨烯的发现开启了二维材料世界的大门，大量的二维材料及其新奇的特性被相继发现，涵盖金属、半导体和绝缘体等。二维(2D)材料由于其优异的电子特性和潜在的电子应用前景而引起了极大的兴趣。二维层状材料如黑磷、金属硫化物是继石墨烯之后的热门的二维半导体材料，它们具备独特的各向异性光电特性和电学特性，被应用在场效应晶体管、光电元件、气体传感器以及太阳能电池等多个方面。

2、通过应变、缺陷、掺杂、电场以及表面功能化等各种策略调整锑烯的电子结构已在理论上得到广泛研究。大量研究表明，环境稳定性、电导率、载流子迁移率、磁性和光学性质可以通过功能性物质和吸附原子的表面功能化实现二维材料的定制。

图文赏析

图1、电化学剥离与同步卤化制备卤化锑烯过程

图2、XRD和拉曼光谱表征

a) 不同卤化锑烯的XRD图谱；

b)不同卤化锑烯的拉曼光谱。

图3、AFM表征

氟化、氯化、溴化和碘化锑烯AFM图像和高度分布图。

图4、HRTEM表征

氟化、氯化、溴化和碘化锑烯的HRTEM图。纳米片在剥离和卤化后，局部会转变为无定形结构，其余部分仍然是晶体结构，具有典型的晶格条纹特征。

图5、XPS能谱分析

a,b)氟化；c,d)氯化；e,f)溴化和g,h)碘化锑烯的高分辨率XPS能谱。

图6、分子动力学模拟及能带结构

a)从头算分子动力学模拟前后锑烯的结构变化；

b)从头算分子动力学模拟过程势能变化；

c)能带结构图。

图7、基于卤化锑烯的光电化学型光电响应行为

a)LSV曲线；

b)在0.6 V的偏压和118.0mWcm^-2的光功率强度下随时间变化的开/关行为；

c,d)光电流密度随外部偏压V和光强度P_λ的变化；

e,f)光响应率随外部偏压V和光强度P_λ曲线的变化。

全文总结

1、综上所述，作者通过电化学剥离与同步卤化技术一步合成了表面功能化的少层锑烯，实现了少层锑烯结构、电子性能和光学性质的调控，所制备的锑烯光电探测器具有自供电、外部偏压和光强依赖的光响应性能。

2、结合分子动力学模拟和第一原理性计算，作者揭示了卤化过程对电子结构和光学性质的影响，同时发现氧的引入诱使少层锑烯表面结构发生重组和非晶化，有利于获得显著的带隙。

3、该工作提出的锑烯卤化方法简单易行，可为其他二维材料的电子、光学应用提供新的思路。

文献信息：Halogenated Antimonene: One-Step Synthesis, Structural Simulation,Tunable Electronic and Photoresponse Property (AFM, 2019, 1905857.DOI: 10.1002/adfm.201905857)

团队简介

深圳大学黑磷光电工程技术实验室成立于2016年，主要从事二维材料光学特性与生物光学特性研究，2016年入选深圳市海外高层次人才孔雀团队(1500万无偿资助)。

已累计发表SCI论文200余篇包括AdvancedMaterials 10篇(影响因子21.950)、ChemicalSociety Reviews 3篇(影响因子40.182)、PNAS、NatureMaterials(影响因子39.235)、PhysicReports等，以第一作者或通讯作者发表SCI一区论文80篇，封面论文30篇，两篇论文入选中国百篇最具影响国际学术论文，PNAS论文入选2018年中国光学十大进展-应用研究类，40篇论文引用过百次，ESI高被引论文46篇。

本团队在纳米光子领域取得了诸多国际一流成果，并与哈佛大学、瑞典卡罗林斯卡医学院、新加坡南洋理工大学、深圳市人民医院、韩国高丽大学、蔚山大学等国内外顶尖科研机构建立了合作，现有多学科背景的团队成员80余人。团队成员获得国家青年基金资助20项，面上项目4项，国家重点项目2项(含联合基金)、重大项目培育1项等。已有10人被评为深圳市高层次人才孔雀B/C类，获得各项资助累计达5000万。本实验室已培养近十位优秀博士后，其毕业去向包括哈佛大学助理教授、广东省杰青、高校特聘教授、研究员等。本实验生物医药方向的专家包括曹义海教授，瑞典卡罗林斯卡医学院终身教授，欧洲科学院院士；国际知名的生物光子学与纳米光子学研究专家ParasN. Prasad。

本团队负责人张晗教授2010年毕业于南洋理工大学，2018年获得深圳市青年科技奖、中国产学研合作创新奖(个人)、教育部科技二等奖、全球高被引科学家、中国十大新锐科技人物卓越影响奖等，2019年广东省丁颖科技奖。其SCI总他引两万多次，H指数74。本团队负责人获得2012年国家基金委优青及中组部青年千人、2015年重点项目、2017年面上项目，2018年面上项目，2019年国际合作重点项目等资助。

团队在该领域工作汇总

据中国科学院科技战略咨询研究院最新公布的<<2017 研究前沿>>，深大团队一直从事并且引领的“基于二维材料可饱和吸收体的锁模光纤激光器”研究被列为物理学Top 10 热点，黑磷的特性及应用研究领域有35篇论文入选核心论文(张晗以第一作者或通讯作者入选9篇，共计13篇)。此外，黑磷的特性研究在《2015 研究前沿》报告中以新兴前沿出现，2016 年，进一步成为了热点前沿。今年，黑磷的特性研究再次入选热点前沿，且该前沿2016年单年的施引论文数达到881 篇，是十个热点前沿中最活跃的一个。本团队在锁模激光和黑磷研究上已取得诸多重要突破。

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Guo, S., Zhang, Y., Ge, Y., Zhang, S., Zeng, H., Zhang,H., 2D V‐V Binary Materials: Status and Challenges. Adv. Mater. 2019, 1902352.https://doi.org/10.1002/adma.201902352