寧波材料所在二維MXene材料作為功能分子器件研究中取得進(jìn)展

　　隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，電子器件的尺寸已跨入納米級，使得分子器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為引導(dǎo)新型半導(dǎo)體材料發(fā)展的重要方向。對相關(guān)材料與器件進(jìn)行量子力學(xué)的原子級別的模擬顯得越來越重要。而二維材料作為新型功能材料最近幾年受到了廣泛的關(guān)注。為此，科學(xué)家希望石墨烯以及相關(guān)的二維材料制造出的低功耗電子器件能夠?yàn)殡娮赢a(chǎn)業(yè)帶來生機(jī)，帶來革命性的技術(shù)和產(chǎn)品。

　　MXene作為一類與石墨烯類似的新興二維材料，其優(yōu)異的載流子遷移率及半導(dǎo)體特性使其在分子器件等方面有突出的巨大應(yīng)用潛力。MXene來源于三元層狀金屬陶瓷Mn+1AXn相（M為過渡金屬元素，A為主族元素，X為C或N，n一般為1~3，形成MAX相）。人們可以通過將MAX相中結(jié)合較弱的A位元素（如Al 原子）抽出，得到這種層狀的過渡金屬碳化物或碳氮化物Mn+1XnTz材料，其中Tz指表面基團(tuán)（如O2-、OH-、F-、NH3、NH4+）。MXene材料具有制備簡單、易調(diào)控和易器件化操作等優(yōu)點(diǎn)，但目前還缺乏很深入的性能研究。

　　最近，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所采用密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的第一性原理方法，對Ti2CO2 MXene納米帶電荷輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了深入和系統(tǒng)的理論研究。研究表明：(1) Ti2CO2納米帶的能隙可以通過改變其納米帶的寬度或晶向取向進(jìn)行調(diào)控。非對稱的扶手椅形納米帶的能隙隨寬度的增加反而減?。粚τ阡忼X形Ti2CO2 納米帶的能隙很小，甚至為零。并且，量子限定效應(yīng)對其能隙產(chǎn)生較大的影響：對稱的扶手椅形納米帶在其能隙中產(chǎn)生邊緣帶。(2) 考慮不同寬度的Ti2CO2 納米帶分子器件的電荷輸運(yùn)行為，得到鋸齒形和扶手椅形納米帶器件的電流-電壓曲線，發(fā)現(xiàn)Ti2CO2納米帶分子器件具有良好的負(fù)微分電阻現(xiàn)象，見附圖所示；在扶手椅形的Ti2CO2 納米帶中，因其能帶的帶隙有一定大小，所對應(yīng)的分子器件也具有相應(yīng)的開啟電壓，只有當(dāng)電壓超過這個臨界電壓時，才會產(chǎn)生電流。在這項(xiàng)工作中，研究人員也細(xì)致地研究了Ti2CO2 納米帶分子器件負(fù)微分電阻現(xiàn)象起因的理論機(jī)制，提出了器件在不同偏壓下，其左右電極的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間變得不匹配，因而會導(dǎo)致電流下降。出現(xiàn)了負(fù)微分電阻現(xiàn)象。

　　總之，基于其良好的電荷輸運(yùn)性質(zhì)，該研究邁出了以半導(dǎo)體MXene材料作為功能分子器件的第一步。這項(xiàng)研究工作被《物理化學(xué)期刊C》（Journal of Physical Chemical C）期刊接收發(fā)表（J. Phys. Chem. C 2016, 120, 17143−17152）。

　　圖：不同寬度下Ti2CO2納米帶分子器件的電流-電壓曲線。(a)非對稱扶手椅形；(b)對稱的扶手椅形；(c)鋸齒形Ti2CO2 納米帶分子器件