何垚教授研究团队在Scientific Reports发表最新研究成果

日前，物理与天文学院2014级凝聚态物理专业硕士研究生刘明阳以第一作者在Nature出版集团旗下期刊Scientific Reports发表了题为“Unexpected electronic structure of alloyed and doped arsenene sheets: First-Principles calculations”（ http://www.nature.com/articles/srep29114）的研究论文。刘明阳是我院电子科学与技术专业2014届本科毕业生，从本科三年级就跟随何垚教授进行相关的科研学习和训练，不断培养提高个人的科研能力。此次在何垚教授的指导下发表了该论文，是刘明阳多年科研工作的一个重要收获，也是学院教学反哺的一个成功例证。

近年来，二维材料的相关研究已经成为凝聚态物理科研工作者的研究热点。目前已经被广泛研究的四族二维材料石墨烯、硅烯、锗烯等，由于其零带隙的电子结构使其在实际应用中受到了一定限制。为此，科研工作者开始关注五族二维材料。尽管新型五族二维材料磷烯具有高电子迁移率和本征带隙，但由于带隙值小于2eV，使其不能应用于蓝光及紫外光区域，而最近被新预测的五族二维材料砷烯（arsenene）突破了这一限制。因此，对于砷烯的相关研究便具有重要意义。

此次发表的论文系统地研究了砷烯的合金和掺杂体系。研究表明，AsN, AsP, SbAs合金为间接带隙半导体，而BiAs合金为直接带隙半导体。声子色散研究显示，AsP, SbAs和BiAs合金是动力学稳定的。论文研究并给出了当对砷烯的四种合金施加双轴向应力时，获得“半导体—金属”和“间接带隙—直接带隙”转变的应力范围和其内在的物理机制。通过以SbAs合金为例，论文揭示了施加合适的拉伸应力将会导致体系价带顶的成键特性由键转换为键，而体系也随之由间接带隙转变为直接带隙。这些结果对于砷烯合金在未来应用于电子器件和压敏器件给出了理论上的指导。

图1.对SbAs合金施加-6%和6%的双轴向应力的能带结构和价带顶电荷密度

此外，论文还对砷烯进行了替位掺杂研究。研究表明，当掺杂浓度较高时，C和O掺杂的砷烯会呈现金属性质，而B和N掺杂则维持原来的半导体性质。特别地，C替位掺杂将会对体系引入磁性，当在竖直方向对其施加-0.32V/nm的外加电场时，可以将其调制为自旋双极性无带隙半导体。如果减小掺杂浓度，B和N掺杂砷烯几乎保持高掺杂浓度的性质；而对于C掺杂砷烯，其磁矩将会有所增加。值得注意的是，当掺杂浓度减小到0.78%，O掺杂砷烯也将会引入磁性。论文最后还提出，O2和N2吸附于砷烯，对砷烯的电子结构不会产生明显的影响。

物理与天文学院  供稿

（编辑：马竞欧）