上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所消息顯示，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究人員等自 2013 年開展新型碳基二維半導(dǎo)體材料的制備研究。

2014 年 1 月成功制備了由碳和氮原子構(gòu)成的類石墨烯蜂窩狀無孔有序結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體 C3N 單層材料，并發(fā)現(xiàn)該材料在電子注入后產(chǎn)生的鐵磁長程序；2016 年初步實(shí)現(xiàn) AA' 及 AB' 堆垛雙層 C3N 的制備。

此后，他們與華東師范大學(xué)研究員袁清紅團(tuán)隊(duì)通過近 5 年努力，在雙層 C3N 的帶隙性質(zhì)、輸運(yùn)性質(zhì)等研究領(lǐng)域取得突破，進(jìn)一步證明雙層 C3N 在納米電子學(xué)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用潛力。

據(jù)介紹，該工作證明了通過控制堆垛方式實(shí)現(xiàn)雙層 C3N 從半導(dǎo)體到金屬性轉(zhuǎn)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：接近金屬性的 AA 和 AA' 堆垛、帶隙比單層減少將近 30% 的 AB 和 AB' 堆垛、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(fèi)米能級(jí)附近能帶的劈裂。在雙層之間相互作用勢接近的前提下，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底波函數(shù)重疊的數(shù)目決定了能帶劈裂程度，進(jìn)而影響帶隙。其中 AA、AA'、AB、AB' 等雙層 C3N 中，兩層波函數(shù)重疊的數(shù)目存在兩倍關(guān)系，帶隙劈裂值為近似兩倍關(guān)系。而對于雙層摩爾旋轉(zhuǎn)條紋結(jié)構(gòu)，上下層原子基本錯(cuò)開，pz 軌道的重疊有限，因此其帶隙與單層 C3N 接近。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)通過施加外部電場可實(shí)現(xiàn) AB' 堆垛雙層 C3N 帶隙的調(diào)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)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，可實(shí)現(xiàn)從半導(dǎo)體到金屬性的轉(zhuǎn)變。