研究背景
随着二维材料研究的不断深入，寻找具有优异电子、光电性能的新型二维半导体材料，成为推动微电子器件和光电探测器技术发展的关键。ScXI（X = S, Se, Te）单层材料因其独特的层状结构、合适的带隙、优异的载流子迁移率以及良好的稳定性，近年来受到研究者的广泛关注。作为一类 III-VI 族化合物，ScXI 单层不仅具备与传统过渡金属二硫化物（如MoS₂、WS₂）相似的二维特性，同时展现出更大的结构多样性和可调性。
目前的研究表明，ScXI 单层材料在电子器件中有望实现高开关比的场效应晶体管，并因其对可见光和近红外光的良好响应能力，在光电探测与传感应用中表现出巨大潜力。此外，其各向异性电学特性与可调带隙也为设计新型纳电子器件与集成系统提供了理论依据和材料基础。因此，深入研究 ScXI 单层的电子结构、光学响应及其在微电子与光电传感器中的应用潜力，对于拓展二维材料体系的实际应用边界具有重要的科学意义与工程价值。
研究内容
宽带隙二维半导体在蓝光至紫外波段的大功率电子学和光电子学中有着广泛的应用。在这项研究中，利用第一性原理方法研究了ScXI （X =S, Se, Te）单层的电子、机械、输运和光电性质。一些基于 ScXI 单层的概念性纳米器件被构建，如 p-n 结二极管、场效应晶体管（FET）和光电晶体管。它们的多功能特性随后被揭示出来。
结果表明，ScXI 单层材料均为半导体，其直接带隙为 2.42 ~ 1.34 eV，具有较高的动力学、热稳定性和机械稳定性，显著的力学各向异性，相对较低的刚度，以及可通过施加应变调节的电子性能。
ScXI 单层的 x 型和 Y 型 p-n 结二极管均表现出很强的整流效果，具有超高的整流比、大的电流密度和显著的电各向异性，具有较大的电流各向异性比。
ScXI 单层场效应晶体管具有与 p-n 结二极管相同的完美整流效果和强电流各向异性。此外，栅极电压可以有效地调节 FET 的电流。
ScXI 单层及其光电晶体管在可见光和紫外区也表现出良好的光电响应。
总结
本文系统地研究了 ScXI（X = S, Se, Te）单层材料的电子结构、光学性质及其在微电子器件和光电传感器中的应用潜力。通过基于第一性原理的计算，作者发现 ScXI 单层为间接带隙半导体，带隙范围适中（1.6–2.3 eV），并具有良好的载流子迁移率与稳定性，适合用作下一代纳米电子器件的有源层材料。此外，这些材料在紫外到可见光范围内表现出显著的光吸收能力和各向异性光学响应，展现出优异的光电转换特性。研究还表明，三种材料的电子与光学性能随着 X 元素的更替呈系统性变化，可通过化学组分调控其性能以满足不同应用需求。该工作为 ScXI 类二维材料在场效应晶体管、光电探测器等领域的应用提供了理论支撑，也拓展了 III-VI 族二维材料在纳米科技中的实际应用范围。
参考文献
- Chen J, Fan X, Li J, et al. Exploring the applications of Sc XI (X= S, Se, Te) monolayers for microelectronic nanodevices and photoelectric sensors[J]. Physical Review Applied, 2024, 21(5): 054053. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.054053