在二维材料世界，类似石墨烯的单层蜂窝晶体及其元素–硅烯（silicene），锗烯（germanene）锡烯 （stanene）–备受关注，都具有卓越的性能。然而，石墨烯和其它碳元素的电子结构有着致命弱点，就是零带隙，这严重降低了他们在晶体管的开关方面的应用。即使通过表面功能化和外部电场或应变域，也只能实现很小的带隙。


研究人员还制备探索了诸多典型的单层半导体。如MoS2, MoSe2, WS2 and WSe2，以及几层厚度的黑磷。这种极端的细化导致这些材料的电子结构的重大变化，因此在新的光电性能应用中存在潜在价值。例如，多层MOS2带有间接带隙，而单层MOS2是直接带隙半导体，因此具有很强的发光效应。然而他们发现，绝大多数所探讨二维系统的带隙都低于2eV。


“这就极大地阻碍了基于二维半导体的发光电器件很难响应的波长小于620纳米的光子，如蓝色和紫外发光二极管（LED）和光电探测器，“曾海波教授【音译】，南京理工大学光电子与纳米材料研究所主任告nanowerk。


在新的工作中，通过密度泛函理论计算，曾海博和他的团队的新型二维宽禁带半导体材料，即单层arsenene和antimonene具有高稳定性。他们将他们的结果发表在2015年1月7日的网络版应用化学国际版（“Atomically Thin Arsenene and Antimonene: Semimetal–Semiconductor and Indirect–Direct Band-Gap Transitions”）。
图 2D 砷烯（arsenene）和锑烯（antimonene）在半导体器件中的潜在应用。（图片源自：南京理工大学，光电子与纳米材料研究所）

不像黑磷，自然界中层状堆积状态砷和锑是典型的半导体金属。然而，在一定的压力下，单层砷烯（arsenene）和锑烯（antimonene）间接宽带隙半导体可成为直接带隙半导体。“有趣的是，尽管自然界砷烯（arsenene）和锑烯（antimonene）为半导体，当细化到单原子层，我们的计算表明，它们的电子结构将转变为2.49和2.28 eV的带隙的间接半导体，而进一步加载微小的双轴应变后，这些单分子膜可以转让他们从间接变成直接带隙半导体。”


“我们的实验室已经可以成功制备厚度小于10纳米材料，并且正在进一步探索如何减薄至单层。当然我们也正在探索晶体管器件的制备。最重要的是，这项工作是吸引更多的研究者去探索这两种二维材料，从而加速其发展。”


自从2004年石墨烯被发现后，研究人员主要集中在碳元素二维材料而忽视氮系蜂窝板。磷烯（phosphorene），砷烯（arsenene）和锑烯（antimonene）（也包括在理论HSE06水平的带隙在0.99 eV的单层铋）对于纳米材料科学界是令人兴奋的新发现的，他们很快成为重要的理论和实验研究的课题。


注：文章中的“烯类”，纯属自创，理解所用
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