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周树云踏上二维材料的“新大陆”

发布时间:2019-06-07 编辑 :本站 / 8次点击
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周树云踏上二维材料的“新大陆”

主宰电子信息产业飞速发展几十年的“摩尔定律”即将走到尾声——单纯依靠缩小晶体管尺寸的做法,不仅受到工艺成本的限制,还将带来棘手的功耗和散热问题。

  近年来,全世界对石墨烯等二维材料的研究进行了巨大的投入,就是希望从中找到能够替代硅的理想半导体材料。 周树云表示:“过去十几年,人们发现虽然石墨烯具有一些非常奇特的性质,但它却缺乏半导体器件的重要特征--能隙。

”  通过ARPES是一种直接测量材料中的能带结构的技术手段,可以揭示许多以前未被发现的新材料属性。

能带结构决定了一种材料几乎所有的主要特性,就像生物体的DNA决定了生物的特性一样。 可以说,能带扮演着“材料DNA”的作用。 2012年,周树云组建了自己的实验室之后,利用这些技术,她一方面寻找那些有潜力“超越石墨烯”的新型材料,一方面将熟悉的材料组合出全新的特性。   其中一类新型材料,是与石墨烯拥有相似蜂巢状结构的“过渡金属硫族化合物”。 该家族化合物中有许多成员仍缺乏研究和探索,例如二硒化铂(PtSe2)。

周树云及合作者不仅首次成功制备了单层二硒化铂,还揭示了该材料体系具有高达电子伏特的能隙——这种石墨烯不具备的性质,让二硒化铂在光催化作用和光电效应领域具有重要的应用潜能。 实验证实,单层的二硒化铂具有半导体性质,而多层累加的二硒化铂“单晶”,则是一种新型拓扑材料“半金属”。 周树云团队顺藤摸瓜,瞄准了“过渡金属硫族化合物”中的另一个材料体系二碲化钼(MoTe2)——很快地,他们直接从实验上证实了:低温下的二碲化钼具有理论预言中“第二类外尔半金属”的特征。

该研究成果为层状材料实现拓扑电子学器件开辟了新的体系。   要寻找理想的材料,除了寄希望于新型材料体系之外,另一个策略则是将一些熟悉的材料进行重新组合。

周树云所感兴趣的“石墨烯/氮化硼异质结”正是这样的组合:层状的氮化硼与石墨烯虽然原子排列十分相似,不过由于原子对称性的不同,两种材料的性质差异很大——石墨烯具有“半金属”性质,而氮化硼则是不导电的绝缘体。

将这两种材料通过弱范徳华作用力结合、形成异质结之后,其中的石墨烯出现了原本不具备的半导体性质。 她的团队随后利用ARPES技术,首次观测并证实了石墨烯/氮化硼异质结中的能带结构及能隙,用直接的测量结果,解决了该材料体系中有关能带调控的若干关键科学问题。