概述
二维材料中大部分都具有优异的电学和光学性能，这使得它们在纳米电子学、光电子学和热电学等各种各样的应用场景下具有很大的潜力，但是性能仍然需要优化。例如，硅烯和锗带隙太小（带隙值<0.1 eV）难以实现晶体管的电流开关。MoS2 具有理想的带隙，但其较低的迁移率限制了其在某些器件中的应用。磷烯不仅具有理想的带隙，而且拥有高各向异性载流子迁移率，但其在空气中易氧化的特性是器件应用中的主要限制。
研究者仍需继续努力探索具有合适带隙、高载流子迁移率和高稳定性的新型二维半导体材料，并通过应变工程、多层堆叠等技术来改善现有二维半导体材料的电子特性。应变工程是调整二维材料电子特性的一种常用技术，因为二维材料本身可以承受比其块体材料更大的机械应变，这就拓宽了它们在纳米电子和光电器件中的应用。多层堆叠是调节二维材料特性的另一种策略，可以产生新的电子器件，因为许多二维材料的带隙大小变化很大程度上取决于层数。
在众多电子器件中，具有负微分电导效应的二维材料非常受欢迎。目前，大多数具有负微分电导效应的二维材料主要还是范德华异质结。然而，由于异质结的层间隧穿效率有限，想要实现高峰值电流仍然面临诸多挑战。因此，能产生负微分电导效应的单层二维材料也是有前途的。常州大学徐月华副教授课题组和美国内布拉斯加州立大学林肯分校的 Xiao Cheng Zeng 教授合作，以密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法，研究了基于二维 tetrahex-GeC2 器件的电输运特性。该研究结果为基于负微分电导效应构建的器件提供了新选择。
材料结构与性质
tetrahex-GeC2 表现出高各向异性载流子迁移率和热力学稳定性。单层和双层 tetrahex-GeC2 的带隙分别为0.89 eV 和 0.32 eV，两者都属于直接带隙半导体。二维单层 tetrahex-GeC2 沿着 a(b) 方向 4% (-4%) 单轴拉伸（压缩）应变下，带隙可以调控到理想的 1.26 eV (1.32 eV)，并且电子(空穴)有效质量保持稳定，约为 0.23 me (0.83 me)。双层tetrahex-GeC2沿着 a(b) 方向 4% (-4%) 单轴拉伸（压缩）应变下，带隙可以调控到 0.75 eV (0.92 eV)，而且，在 a 方向 -1% ~ 4% 和 b 方向 -4% ~ 1% 单轴应变范围内，电子有效质量几乎保持不变，大小分别约为 0.19 me 和 0.30 me。在 a 方向 -1% ~ 4% 单轴应变范围内，空穴有效质量几乎保持不变，约为 0.11 me。
器件特性
在未施加应变的情况下，单层和双层 tetrahex-GeC2 两电极结构的输运特性均呈现各向异性。具体来说就是，电流在 a 方向上呈现导通状态，在 b 方向上呈现关闭状态。因此，通过改变电流输运方向可以控制器件的开或关状态。通过对比发现单层 tetrahex-GeC2 电流开关比的大小约为 105，其值能与典型场效应晶体管的开关电流比相媲美。另外，为了研究单轴应变对载流子传输特性的影响，作者选择了 8 种构型进行研究，发现沿a和b方向的载流子输运也显示出显著的各向异性。在 -4% ~ 4% 单轴应变范围内，a 方向电流随着偏压增加而增加，呈现开状态。在-4% ~ 2%单轴应变范围内，b 方向电流依旧呈现关闭状态。而在 b方向 4% 单轴拉伸应变下，在 0.1~0.5 V 和 -0.5~ -0.1 V 偏压之间出现了显著的负微分电导效应，单层tetrahex-GeC2 最大电流峰谷比约为 104，该值高于其他常见的二维材料和异质结。
总结
作者使用 QuantumATK 研究了二维 tetrahex-GeC2 的电子结构以及输运特性。研究发现，在单轴应变下，单层和双层 tetrahex-GeC2 带隙大小能调控到理想的值，单层和双层 tetrahex-GeC2 的电输运特性呈现各向异性，即电流在 a(b) 方向上呈现开(闭)状态。另外，在 0% 的应变下，单层 tetrahex-GeC2 的开关电流比大小约为 105。在 b 方向 4% 单轴拉伸应变下，单层 tetrahex-GeC2 产生了电流峰谷比为 104 的显著负微分电导效应。该工作明确了 tetrahex-GeC2 在纳米电子器件中的潜力。
参考文献
- Wu Wenjun, Li Dongze, Xu Yuehua*, Xiao Cheng Zeng*. Two-Dimensional GeC2 with Tunable Electronic and Carrier Transport Properties and a High Current ON/OFF Ratio. The Journal of Physical Chemistry Letters，2021，12(47)：11488-11496.