封伟团队在带隙可调的新型锗硅基半导体二维原子晶体研究上取得突破

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天津大学封伟教授团队在半导体二维原子晶体的可控制备和带隙调控研究上取得重要突破：在理论计算和结构设计的基础上，采用-H/-OH封端二元锗硅烯，首次获得了具有带隙可调控的二维层状锗硅烷（gersiloxene）。通过精确控制二元配比，实现了二维锗硅烷的带隙调控，并探索了其光催化领域的应用价值，为后续设计新型半导体二维原子晶体提供了重要的研究基础。相关研究成果在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上，文章题为“Two-dimensional gersiloxenes with tunable bandgap for photocatalytic H2evolution and CO2photoreduction to CO”（DOI: 10.1038/s41467-020-15262-4）。文章第一作者为天津大学材料学院博士研究生赵付来，通讯作者为封伟教授，共同通讯作者为冯奕钰教授。

二维原子晶体

       与石墨烯同族元素的二维锗烯和硅烯半导体晶体，虽然具有极高的理论载流子迁移率和独特的sp2-sp3杂化键，但是精确制备并调控其能带结构仍然是该领域重要的难点。由于不存在类似于石墨的层状体相结构，无法通过直接剥离法制备二维锗烯和硅烯半导体晶体，导致难以实现其层状结构的精确控制；更为重要的是锗烯和硅烯的零带隙特征限制了其在场效应晶体管、光电晶体管和光催化领域的应用。
       氢化和合金化是调控二维半导体晶体带隙结构的两种重要途径。近年来研究表明，由于Zintl相的CaGe2和CaSi2中存在着类似于石墨烯的Ge或Si的六元蜂窝状结构，因此通过Zintl相晶体CaGe2和CaSi2的拓扑化学反应（去除Ca离子），可以直接制备得到氢化的锗烯和硅烯，即锗烷（GeH）和硅烷（SiH），但是通过可控掺杂实现锗烷和硅烷的带隙调控仍然鲜有报道。针对该难点，封伟团队通过对CaGe2进行Si掺杂，制备了具有精确配比的Ca(Ge1-xSix)2（x = 0.1-0.9）合金，通过拓扑插层反应实现了-H/-OH封端，获得了具有一系列不同掺杂比例的蜂窝状二维锗硅烷合金。晶体结构模型的理论计算结果表明二维锗硅烷为直接带隙半导体材料，其带隙类型不依赖于层数和Si掺杂的比例。如图1所示，通过控制Si元素的掺杂量（x值）可以实现带隙结构的精确调控，结果显示二维锗硅烷的带隙随掺杂量的增加而提高，当x从0.1提高到0.9时，二维锗硅烷的带隙从1.8提升到2.57 eV。
       二维锗硅烷兼具可调控能带结构、宽光谱（从紫外区到可见光区）响应和优异的光催化性能，是未来制备纳米光电器件的理想材料之一。该研究首次实现了掺杂精确调控锗硅类IVA族二维原子晶体半导体的能带结构，将为未来新型半导体二维原子晶体材料的合成、设计、电子结构调控以及光电性能提升提供重要的材料基础和技术支撑。

       文章来源：天津大学
      封伟，天津大学材料学院教授、博士生导师。1992年毕业于西安交通大学高分子材料专业。国家“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年基金获得者，科技部中青年创新领军人才，天津市“131”创新型团队负责人，日本JSPS学术振兴委员会高级访问学者。任教育部科技委材料学部委员与国防学部委员，军委科技委和装发部专业组专家，是中国机械工程学会材料分会高分子材料专业委员会委员，中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事以及中国复合材料学会高分子纳米复合分会副主任等。主持负责了国家973项目课题、科技部重点研发课题、国家自然科学基金重点、杰青项目及国防科技支撑项目、总装预研项目等。研究成果在Chem. Soc. Rev.、Adv. Funct. Mater.等国际期刊上发表SCI收录论文140余篇，代表性成果在人民日报、科技日报和CCTV等重要媒体上报道，成果获得省部级科技一等奖2项，二等奖2项。
      冯奕钰，天津大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主要研究方向为：光热及热管理先进材料、结构与功能一体化设计以及在航天领域的应用。先后入选2018年国家“万人计划”青年拔尖人才计划和2013年教育部新世纪优秀人才计划，获得第十五届天津青年科技奖，天津市杰出青年基金（2019年）和第十四届霍英东高等院校青年教师奖，以第二获奖人身份获得2017年天津市技术发明一等奖、2015年天津市技术发明一等奖和2011年天津市自然科学二等奖，毕业博士论文被提名为2012年全国百篇优秀博士学位论文。作为负责人先后承担包括国家自然科学基金面上项目（3项）、装备预研教育部联合基金、GF科技创新基金在内的20项国家级课题；在Chemical Society Reviews、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Energy Storage Materials等期刊上发表SCI收录论文120篇，其中IF>8.0的40篇，他引2753次，H-因子=32，授权美国发明专利2项，中国发明专利44项，GF专利2项，现任中国复合材料学会导热复合材料专业委员会秘书长。