【材料科技】二維材料新進展

■如果翻翻最近幾年材料科學相關期刊,你會發現研究石墨烯的論文實在是多到不可思議,好像材料科學近來都以石墨烯為中心一樣,到底石墨烯跟二維材料有什麼神奇之處呢?

圖片出處:南京理工大學,光電子與納米材料研究所
圖片出處:南京理工大學,光電子與納米材料研究所

撰文|方程毅

自從石墨烯(graphene)在2004年被製備出來並在2010年獲得諾貝爾獎之後,二維材料就一躍成為材料科學研究的顯學。二維材料中石墨烯就是碳原子以sp2軌域像蜂巢一般六角狀鍵結,形成一單層平面狀結構,簡單來說就是單層的石墨。二維材料具有非常特別的物理性質,在電子及光學元件都有極高的應用價值,像石墨烯本身具有高導電性、高導熱性及高機械強度等等,除了石墨烯以外,包括像單層二硫化鉬(MoS­2)、二硒化鉬(MoSe­2)都是近來常在科學期刊上看到研究對象,他們因為具有半導體的性質,因此將二維材料應用在光電元件上也已經是科學界的共識。

所有光電元件跟這些具有半導體性質的材料都跟能隙(Energy gap)脫不了關係。在半導體物理中能隙就是傳導帶(conduction band)與價帶(valence band)的能量差異,其大小就直接跟半導體材料吸收與放射光譜相關,例如矽(Si)的能隙為1.12eV,換算成光波長大約是1100nm左右(可見光波長為400-800nm),因此矽作為太陽能電池就有能力吸收可見光並轉換成電能。

除了能隙的大小之外,能隙又分為直接能隙(direct band-gap)及間接能隙(indirect band-gap),間接能隙的材料通常不會拿來做為發光元件(例如:LED或半導體雷射),最有名的間接能隙材料也是矽,因此雖然矽是半導體界的霸主,積體電路跟主流的太陽能電池都是以矽為主,但所有發光元件通通沒有矽的份,例如藍光LED的材料是GaN,半導體雷射的材料是InGaAsP、AlGaInAs等等。

能隙的大小與種類是科學家非常有興趣的議題,能隙大的材料可以驅動波長較短的光電元件(波長短代表光子能量高),但目前二維材料的能隙都不大,缺乏驅動藍光或紫外光光電元件的能力。目前已知的二維材料能隙最大的只有2eV,還不足以應用在藍光LED上(藍光波長大約在470-500nm左右,換算成能隙能量為2.48eV到2.64eV),因此二維材料在藍光發光波段的元件所扮演的角色目前還沒有個著落。

為了解決這個問題,最近來自南京理工大學的曾海波教授便經由理論計算發現砷(As)及銻(Sb)這兩種元素以二維單層原子存在時能隙分別高達2.49及2.28 eV,並且為間接能隙,但當對這兩個材料施加形變時,他們也可以以直接能隙存在。砷及銻這兩種元素以三維的形態出現時是具有部分金屬特性的,也就是說他們的能隙非常小,根據曾海波教授的計算,三層原子堆疊而成的砷及銻能隙都是0eV,但從三層到一層能隙卻能有這麼大的變化,讓我們不禁讚嘆材料科學的神奇。這樣研究也被發表在2015年《Angewandte Chemie International Edition》期刊上,並獲得Nanowerk網站報導。

但無論理論預測再怎麼完整,無法實際把材料製備出來一切都是空談,曾海波教授表示,他們在實驗室中已經能做出厚度小於10奈米的砷及銻,目前正設法將這些材料減薄到只有一層原子。值得期待嗎?告訴你,石墨烯早在1962年就已經有人用理論預測出來了,但40年後才真正有人能夠把這個材料製備出來,希望這次我們不用再等40年。

原始論文:
Zhang, Shengli, et al. "Atomically Thin Arsenene and Antimonene: Semimetal–Semiconductor and Indirect–Direct Band‐Gap Transitions." Angewandte Chemie (2015).

參考資料:
Novel mono-elemental semiconductors: arsenene and antimonene join 2D family

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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