ACS Mater. Lett.┃半导体硅烯：一种具有蜂窝-笼目杂化晶格的二维硅同素异形体

英文原题：Semiconducting Silicene: A Two-Dimensional Silicon Allotrope with Hybrid Honeycomb-Kagome Lattice

通讯作者：李元，陈杰智，山东大学

作者：Pengpeng Sang （桑鹏鹏）, Qianwen Wang（汪倩文）, Wei Wei（魏巍）, Fei Wang（王菲）, Yuan Li（李元）and Jiezhi Chen （陈杰智）

近年来，以MoS₂、黑磷、Be₂O₂Se、InSe为代表的二维半导体材料不断涌现，成为替代传统硅基器件的新一代电子器件的重要候选材料。然而，目前这些二维半导体材料都面临一个共同问题，即与硅基半导体工艺不兼容。虽然早在2012年即已发现的二维硅烯（silicene）被寄予厚望，但是鉴于其与石墨烯类似的蜂窝状晶格，原始的硅烯只是一种准零带隙的半金属材料，除非通过其他复杂的方法进行带隙调制，否则无法直接进行半导体器件应用。

近日，山东大学陈杰智教授、李元副研究员课题组从晶格拓扑结构入手，通过理论分析和第一性原理计算提出了一种具有优异本征半导体特性的新型二维硅烯材料。他们在二维蜂窝（honeycomb）晶格中引入笼目（kagome）晶格成分，设计了一种蜂窝-笼目杂化（hybrid honeycomb-kagome, hhk) 的晶格拓扑结构，如图1a所示。由于蜂窝晶格易于产生线性色散的狄拉克锥能带，而笼目晶格则易于产生无色散的扁平能带，因此蜂窝-笼目杂化晶格则将产生介于两者之间的具有一般色散和合适带隙的半导体能带。当把这种杂化晶格拓扑结构应用于二维硅时（图1b），笼目三角晶格引起的硅原子轨道sp³杂化还将使晶格产生类似蜂窝硅烯的翘曲结构，从而利于带隙的进一步打开。第一性原理计算结果证实（图1c和1d），这种蜂窝-笼目杂化硅烯（hhk-silicene）在室温下具有高度的几何稳定性和热力学稳定性，完全可以与蜂窝硅烯相媲美，而且具有区别于体硅和蜂窝硅烯的拉曼特征峰（619 cm^-1）。

图1. 蜂窝晶格与笼目晶格杂化拓扑结构，hhk-silicene几何结构、声子和拉曼谱

基于上述几何结构，他们详细计算了hhk-silicene的电子结构和输运性质。结果表明，hhk-silicene是一种典型的本征半导体材料（图2a），具有1.18 eV的间接带隙，与传统体硅的1.15 eV带隙相当。电子密度分布显示，导带和价带的电子态分别局域在笼目Si₃和蜂窝Si附近（图2b），这表明正是通过在蜂窝晶格中引入的笼目拓扑结构引起了电子态的相对局域化，从而打开了带隙。此外，hhk-silicene具有各向同性的电子/空穴有效质量，以及很高的电子迁移率。当考虑全声子散射时，电子迁移率在室温下可达360 cm²/Vs；而当把对电子散射最显著的面外晶格振动抑制时（实验上可通过衬底或夹持效应实现），电子迁移率将高达10³-10⁴ cm²/Vs，与在同等条件下蜂窝硅烯的电子迁移率相当。

图2. hhk-silicene能带结构与态密度，导带（价带）电子密度，载流子有效质量，电子-声子耦合矩阵，载流子迁移率

此外，他们还基于hhk-silicene构建了纳米尺度的场效应晶体管，探索材料的潜在器件应用及性能。如图3b所示，器件的输出特性表现出显著的负微分电阻效应，其电流峰谷比（PVR）可高达10⁶，且峰值电流可达1774 μA/μm。这一效应主要源于hhk-silicene受限于笼目拓扑成分而形成的相对孤立的导带结构（图4）。器件的转移特性显示了出色的栅控能力和开关特性（图3c），其开态电流可以很好地满足ITRS（国际半导体技术蓝图）对5 nm以下高性能器件的要求。此外，与其他多种常见二维半导体晶体管相比（图5），hhk-silicene晶体管在开态电流和动态功耗方面均表现出了极强的竞争力，充分表明hhk-silicene在半导体器件应用方面具有巨大潜力。

图3. 基于hhk-silicene的纳米场效应晶体管结构及器件输出、转移特性

图4. 器件负微分电阻效应原理

图5. 与基于其他二维半导体材料的晶体管器件性能对比

该研究从晶格拓扑结构的角度为二维硅烯半导体材料设计提供了一个全新的思路。

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Semiconducting Silicene: A Two-Dimensional Silicon Allotrope with Hybrid Honeycomb-Kagome Lattice

Pengpeng Sang, Qianwen Wang, Wei Wei, Fei Wang, Yuan Li*, and Jiezhi Chen*

ACS Materials Lett., 2021, 3, 1181–1188, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.1c00259

Publication Date: July 8, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）