以石墨烯為代表的碳基二維材料自發(fā)現(xiàn)以來受到了廣泛關注。然而，石墨烯的零帶隙半導體性質嚴重限制了其在微電子器件領域的應用。針對該情況，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所楊思維博士，丁古巧研究員等人自2013年開展新型碳基二維半導體材料的制備研究，2014年1月成功制備了由碳和氮原子構成的類石墨烯蜂窩狀無孔有序結構半導體C3N單層材料（圖1），并發(fā)現(xiàn)該材料在電子注入后產生的鐵磁長程序。相關成果于2017年2月以封面論文形式發(fā)表于Adv. Mater.（C3N—A 2D Crystalline, Hole‐Free, Tunable‐Narrow‐Bandgap Semiconductor with Ferromagnetic Properties, Advanced Materials）。C3N的成功合成彌補了石墨烯無帶隙的重大缺憾，為碳基納米材料在微電子器件的應用提供了新的選擇，并引起了廣泛關注。然而，相比于目前研究已經比較成熟的石墨烯，C3N的研究起步較晚，該材料的基本物性研究仍有大量空白有待填補。
圖1. C3N晶格結構及氫化后鐵磁長程序
上述工作發(fā)表同時，楊思維博士于2016年初步實現(xiàn)AA'及AB'堆垛雙層C3N的制備（圖2）。在此基礎上，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所丁古巧研究員團隊與華東師范大學袁清紅研究員團隊通過近5年努力，借助實驗技術與理論研究，在雙層C3N的帶隙性質，輸運性質等研究領域取得重大突破，結果進一步證明雙層C3N在納米電子學等領域的重要應用潛力。
圖2. AA'（a-c）及AB'（d-f）堆垛雙層C3N的HAADF-STEM圖像
該工作證明了通過控制堆垛方式實現(xiàn)雙層C3N從半導體到金屬性轉變的可行性。與本征帶隙為1.23 eV的單層C3N相比，雙層C3N的帶隙大致可以分為三種：1）接近金屬性的AA和AA'堆垛；2）帶隙比單層減少將近30%的AB和AB'堆垛；3）與單層帶隙相近的雙層摩爾堆垛。上述帶隙變化可歸因于頂層與底層C3N間pz軌道耦合下費米能級附近能帶的劈裂。在雙層之間相互作用勢接近的前提下，價帶頂和導帶底波函數重疊的數目決定了能帶劈裂程度，進而影響帶隙。其中AA 、AA'、AB 、AB'等雙層C3N中，兩層波函數重疊的數目存在兩倍關系，帶隙劈裂值為近似兩倍關系。而對于雙層摩爾旋轉條紋結構，上下層原子基本錯開，pz軌道的重疊有限，其因此帶隙與單層C3N接近。
更重要的是，研究還發(fā)現(xiàn)通過施加外部電場可實現(xiàn)AB'堆垛雙層C3N帶隙的調制。實驗結果表明，在1.4 V nm-1的外加電場下，AB'堆垛的雙層C3N的帶隙下降約0.6 eV，實現(xiàn)從半導體到金屬性的轉變（圖3）。
圖3. 雙層C3N在電場下的帶隙調制
上述工作是C3N材料實驗與理論研究的又一重要突破，為進一步構建新型全碳微電子器件提供了重要的支撐。相關研究成果以“Stacking-Induced Bandgap Engineering of 2D-Bilayer C3N”為題在線發(fā)表于Nature Electronics。
論文第一作者為華東師范大學在讀博士生魏文婭，中科院上海微系統(tǒng)所助理研究員楊思維博士，寧波大學副教授王剛博士。通訊作者為華東師范大學袁清紅教授，中科院上海微系統(tǒng)所丁古巧研究員、蘇州大學康振輝教授、昆士蘭大學Debra J. Searles院士。該工作研究期間，微系統(tǒng)所丁古巧、楊思維團隊負責雙層C3N的制備、堆垛調制、結構表征、器件制備；華東師范大學袁清紅研究員團隊負責雙層C3N物理機制闡述；寧波大學王剛副教授團隊負責雙層C3N光電探測應用演示。
