电子超晶格对蓝磷电子性能的调制

　　蓝磷作为一种之前未知的磷的材料相，被理论预言具有类黑磷的层状结构、好的稳定性、小的电子有效质量以及高的电子迁移率等特点，因此受到了广泛的关注。另外，由于蓝磷具有极好的可伸缩性，以及与磷基半导体材料的兼容性，使得其在下一代光电器件中具有广泛的应用前景。最近，实验上通过分子束外延的方法，利用衬底与蓝磷之间的相互作用力，制备出了具有蜂窝状结构的蓝磷。同时，衬底与蓝磷之间具有较大的晶格错位，导致蓝磷受到衬底的较强的张应力的影响，进而影响了蓝磷的原有的电子性能。这些张应力以何种形式存在于蓝磷的结构中，以及是否可以得到多层的蓝磷材料，依然不清楚。而作为决定蓝磷器件应用的一个重要参数，蓝磷的电子性能也没有得到详细地研究。 

　　图1：(a)和(b) 沿着Au [11？0] 方向的 4×4蓝磷/5×5Au(111) 原子结构图。P₂和P₁代表具有不同曲翘结构的P原子，红色的菱形代表4×4蓝磷的元包，Δz是4×4蓝磷的曲翘高度. (c) 从左到右为结构模型到模拟的STM图到实验得到的STM图的演变。 

　　在本研究工作中，澳大利亚伍伦贡大学杜轶课题组与北京同步辐射装置4B9B-光电子能谱实验站联合研究，在Au(111)衬底上成功制备出了高质量的蓝磷样品(ACS Nano, 12, 5059 (2018) )。在此基础上，通过延长制备时间，发现无法得到第二层的蓝磷。但是在室温下继续在蓝磷上蒸镀磷原子，该研究组观测到蒸镀的磷可以吸附在大周期中的谷位，表明谷位具有较大的空间让磷原子寄存在上面。他们利用第一性原理计算结合这个实验结果，给出了蓝磷的结构模型。理论模拟的STM图和实验数据吻合（图1），表明了衬底对于蓝磷的强的张应力的影响主要在谷位。同时，北京同步辐射装置4B9B-光电子能谱实验站工作人员利用该实验站的角分辨光电子能谱（ARPES），首次研究了蓝磷的能量色散关系以及衬底对于蓝磷电子结构的影响。研究结果显示蓝磷在Au(111)衬底上形成了电子超晶格，进而对Au的sp带产生了强烈的带折叠现象。ARPES结果清晰地给出了带隙确实存在于蓝磷中，由于衬底与蓝磷之间的相互作用力，蓝磷的带隙由理论预言的2 eV被调制到1.18 eV，如图2所示。基于图1中的结构模型，通过第一性原理计算得到的能带结果与ARPES结果一致。同时计算结果显示，受到Au(111)衬底上的调制，蓝磷具有很小的载流子有效质量和比黑磷更大的电子迁移率，具有很好的应用前景。这些工作为蓝磷的电子结构进一步地调控以及其电子器件的应用奠定了基础。 

　　图2：(a) 沿M_S-_S-K_S-M_S方向的Au(111)的ARPES谱。P和sp分别代表沉积的P的信号以及Au(111)衬底的sp带。(b)图（a）中的二次微分图以及DFT计算结果。红色的实线代表计算结果中价带顶。 

　　发表文章： 

　　Jincheng Zhuang, Chen Liu, Qian Gao,| Yani Liu, Haifeng Fen, Xun Xu, Jiaou Wang, Jijun Zhao, Shi Xue Dou, Zhenpeng Hu, and Yi Du*, Band Gap Modulated by Electronic Superlattice in Blue Phosphorene, ACS Nano 12, 5059, 2018.