[论文解读] Direct Band Gap Semiconducting Holey Graphyne: Structure, Synthesis and Potential Applications

Xinghui Liu, Soo Min Cho+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Graphene research and applications被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新型的二维碳同素异形体——孔状石墨乙炔（HGY），通过界面双溶剂体系中的Castro-Stephens偶联反应合成。HGY具有约1.0 eV的直接带隙、高电子和空穴迁移率以及结构稳定性，使其成为高性能碳基电子器件中极具前景的p型半导体。

ABSTRACT

Here we report two-dimensional (2D) single-crystalline holey-graphyne (HGY) created an interfacial two-solvent system through a Castro-Stephens coupling reaction from 1,3,5-tribromo-2,4,6-triethynylbenzene. HGY is a new type of 2D carbon allotrope whose structure is comprised of a pattern of six-vertex and eight-vertex rings. The carbon-carbon 2D network of HGY is alternately linked between benzene rings and sp (carbon-carbon triple bond) bonding. The ratio of the sp over sp2 bonding is 50%. It is confirmed that HGY is stable by DFT calculation. The vibrational, optic, and electric properties of HGY are investigated theoretically and experimentally. It is a p-type semiconductor that embraces a natural direct band gap (~ 1.0 eV) with high hole mobility and electron mobility at room temperature. This report is expected to help develop a new types of carbon-based semiconductor devices with high mobility.

研究动机与目标

• 开发一类具有可调电子性质的新型二维碳同素异形体，用于半导体应用。
• 解决在碳基半导体中实现直接带隙的挑战，这对光电器件至关重要。
• 展示一种可扩展的合成方法，用于制备具有可控孔隙度和结构稳定性的单晶孔状石墨乙炔。
• 通过实验和理论方法表征HGY的振动、光学和电子性质。
• 确立HGY作为高性能、低维半导体器件的可行候选材料。

提出的方法

• 采用1,3,5-三溴-2,4,6-三乙炔基苯之间的Castro-Stephens偶联反应，构建二维碳网络。
• 利用界面双溶剂体系，实现孔状石墨乙炔的可控、单晶生长。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算，验证其结构稳定性和电子性质。
• 对HGY的振动、光学和电学响应进行理论与实验分析。
• 表征其电子能带结构，发现其具有约1.0 eV的直接带隙。
• 利用理论模型评估载流子迁移率，证实其在室温下具有高电子和空穴迁移率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否合成具有可控孔隙度的二维碳同素异形体，且具备直接带隙？
• RQ2 孔状石墨乙炔在环境条件下具有怎样的结构和电子稳定性？
• RQ3 孔状石墨乙炔是否表现出适合高速电子器件的高载流子迁移率？
• RQ4 孔状石墨乙炔的振动和光学性质与其它二维碳材料相比如何？
• RQ5 界面双溶剂法能否实现大面积、单晶孔状石墨乙炔的合成？

主要发现

• 成功通过界面双溶剂体系中的Castro-Stephens偶联反应，合成了单晶态的二维碳同素异形体孔状石墨乙炔（HGY）。
• DFT计算证实HGY在热力学上稳定，sp与sp²杂化碳键合比例保持在50%的平衡状态。
• HGY表现出约1.0 eV的直接带隙，适用于光电器件应用。
• 该材料在室温下表现出高电子和空穴迁移率，显示出在高速电子器件中的强大潜力。
• 通过实验和理论验证了其振动和光学性质，支持材料在结构和电子完整性方面的可靠性。
• HGY被确定为一种p型半导体，具有孔隙度、稳定性与半导体行为的独特结合。