Sc2CT2(T=F, O) MXene 多功能应用的理论研究：p–n 结二极管、场效应晶体管与光电晶体管

研究背景

随着二维材料在纳米电子与光电子器件中的广泛研究，开发兼具可调电子结构与多器件适用性的新型二维材料已成为当前的重要研究方向。除石墨烯、过渡金属硫族化合物（TMDs）等体系外，MXene 材料因其丰富的化学组成、可控的边缘修饰基团以及优异的电学性能，逐渐展现出在下一代电子器件中的应用潜力。尤其是通过边缘修饰工程，MXene 的功函数、载流子类型和能带结构可在较大范围内调控，为其从传统电极材料向有源半导体材料拓展提供了可能。

在众多 MXene 体系中，Sc₂CT₂(T=F, O) 由于其相对稳定的结构和对边缘修饰高度敏感的电子性质，引起了研究者的关注。不同修饰原子可显著改变其费米能级位置与载流子行为，使同一母体材料呈现出类 p 型或 n 型特性，为构建 p–n 结器件提供了天然优势。然而，目前关于 Sc₂CT₂ 在具体器件层面的系统研究仍较为有限，尤其是在多功能电子与光电子器件中的综合应用潜力尚未得到充分探索。

研究内容

本研究基于第一性原理计算，系统探讨了 Sc₂CT₂(T=F, O) 在多种电子与光电子器件中的应用潜力，重点分析其电子结构调控机制及器件层面的功能表现。首先，通过密度泛函理论对 Sc₂CT₂ 在不同边缘修饰条件下的能带结构、态密度及功函数进行计算，阐明 F 与 O 修饰对其载流子类型和能级分布的调控作用，为后续器件设计提供理论基础。

其次，基于边缘修饰差异构建 Sc₂CT₂ 扶手椅与锯齿形输运方向的 p-n 结二极管，系统分析 p–n 结二极管的整流行为及电流-电压特性，评估其在二维整流器件中的应用可行性。

进一步地，将 Sc₂CT₂ 作为沟道材料，引入栅极调控模型，研究其在场效应晶体管中的栅控能力、开关特性及载流子输运行为，揭示边缘修饰对 FET 性能的影响规律。

在此基础上，本研究还考察了 Sc₂CT₂ 在光照条件下的光吸收特性与光生载流子动力学行为，构建光电 FET 模型，分析光照对沟道电导和器件响应的调制效应，评估其在光探测与光电集成器件中的应用潜力。

总结

该研究从第一性原理出发，系统研究 Sc₂CT₂(T=F, O) 在 p–n 结二极管、场效应晶体管以及光晶体管中的工作机制与性能表现，对于理解其电子输运行为及光响应特性具有重要意义。该研究不仅有助于揭示边缘修饰调控下 MXene 的本征物理规律，也为构建高度集成化、功能多样化的二维器件平台提供了理论依据，对低功耗电子器件和新型光电探测器的发展具有重要参考价值。

参考文献

• Qian X, Wang X, Wang N, et al. Theoretical exploration of the multifunctional applications of Sc2CT2 (T= F, O) MXenes: p–n junction diodes, field effect transistors, and phototransistors. Journal of Applied Physics, 2025, 138(4).
• https://doi.org/10.1063/5.0273038

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