湘潭大学祁祥和黄宗玉教授EEM综述：石墨烯以外的二维材料的可调谐电子和光学特性，具有广阔的应用前景

成果简介

近日，湘潭大学祁祥教授和黄宗玉教授在Energy & Environmental Materials上发表了题为“Tunable Electronic and Optical Properties of 2D Monoelemental Materials Beyond Graphene for Promising Applications”的综述性论文。作为一种新型的二维（2D）材料，单元素二维材料具有与石墨烯相似的原子结构，其优异的光学和电子特性在许多领域具有潜在的应用前景。迄今为止，已经报道了许多基于单元素二维材料的研究，并在各个领域展示了优异的性能。报道的单元素二维材料主要分布在IIIA、IVA、VA和VIA族中。由于它们与石墨烯的结构相似，它们通常被称为“Xenes”。在此，作者全面回顾了单元素二维材料的研究进展。在这篇综述中，探索了这些单元素二维材料的结构、性能和实际应用。介绍了这些单元素二维材料的分类、结构特征、光学性质、电子特性和调控机制。全面回顾了单元素二维材料在各个领域的实际应用和研究进展，特别是包括光电催化、太阳能电池等能源领域。这篇综述将使读者对单元素二维材料有更全面的了解，对其进一步发展具有一定的指导意义。

文章简读

近年来，二维（2D）材料因其独特的晶体结构和各方面的优异性能而受到广泛关注。在石墨烯成功发展的推动下，成功制备了大量二维材料，极大地推动了二维材料的兴起和发展。石墨烯因其极低的载流子有效质量、极高的载流子迁移率和极低的暗电流而被认为是高性能场效应晶体管器件的有希望的候选者。然而，石墨烯难以打开带隙导致“开/关”比较低，限制了石墨烯在电子器件领域的进一步发展。

随着二维材料的不断发展，已经成功合成了大量二维材料，如过渡金属二硫化物（TMD）、金属氮化物/碳氮化物（MXenes）和六方氮化硼（h-BN）。这些二维材料具有相当独特的二维原子结构、优异的光电性能、良好的稳定性和生物相容性，使其在光催化、电催化、光电探测器和生物医学等诸多领域具有广阔的应用前景。尽管这些二维材料表现出良好的载流子迁移率，但它们的迁移率比石墨烯低几个数量级，仍然不能满足一些实际应用的要求。因此，研究人员开始关注原子结构与石墨烯相似的单元素二维材料。

最近，一种新型的单元素二维材料被成功合成并迅速引起了广泛关注。迄今为止报道的单元素二维材料主要分布在主族IIIA（B、Al、Ga 和 In）、IVA（Si、Ge、Sn 和 Pd）、VA（P、As、Sb 和 Bi）和VIA（Se和Te）元素周期表。类似于石墨烯的命名法，这些单元素二维材料通常以元素和后缀“ene”的组合命名，例如，硼烯、锗烯、碲烯。由于它们都由相同的元素组成，因此通常统称为“Xenes”。

本文对单元素二维材料的研究进展进行了综述。详细总结了它们的结构特征、合成方法、电子和光学性质，并分析了其性能的调控机制。随后，对近年来单元素二维材料的研究进展进行总结，重点介绍了单元素二维材料在电子学和光电子学领域的应用。最后，讨论了如何进一步扩展单元素二维材料的实际应用，以及如何实现基于单元素二维材料的高性能光电器件。这篇综述将有助于读者全面了解单元素二维材料，并为其进一步的研究和开发提供一定的理论指导。

图文简介

图1. a) 对于使用 GGA-PBE 函数计算的不同应变值。b) 5×7超胞中黑磷单空位和双空位的不同几何结构。c) 4×4×1 单空位硅烯的电荷密度。d) 锂离子改性后的硼烯。e) 不同氧浓度下二维锑烯的电子结构。f) Ag（111）表面内硼纳米结构的结构演变和晶格匹配。g) stanene 和 MoS₂ 单层的能级配置示意图。

图2. a) Te纳米片@GSH的合成过程及其在MSOT和PDT中的潜在应用。b) BP-BG 支架制造过程和成骨治疗策略示意图。c) 用于检查BP的所有光调制行为的Pump–probe示意图。d) 二维 Te纳米片分散体屏幕在k = 457、532和457 nm 处分别接收到的衍射环图像。e) 在锗烯上以最稳定构型吸附气体分子的原子结构。

文献链接

Hui Qiao, Huating Liu, Zongyu Huang*, Rong Hu, Qian Ma, Jianxin Zhong, Xiang Qi*.

Tunable Electronic and Optical Properties of 2D Monoelemental Materials Beyond Graphene for Promising Applications. Energy Environ. Mater. 2020.

DOI: 10.1002/eem2.12154
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12154

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