北理工突破转角双层锑烯研究进展

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近日，北京理工大学物理学院姚裕贵教授、肖文德研究员团队与北京科技大学潘斗星副教授合作，在转角电子学领域取得重要突破。他们首次成功合成转角双层锑烯，并发现其电子结构会随转角变化而发生转变。该研究成果已在国际顶尖物理期刊《Nano Letters》上发表。

转角为材料结构和性质的调控提供了新的维度。例如，魔角石墨烯展现出多种奇特特性，如非常规超导性和关联绝缘态等。在转角过渡金属硫族化合物中也观察到角度依赖的电学与光学行为，包括平带和谷激子现象。值得注意的是，转角电子学的应用不仅限于平面六方晶格材料。近年来，由于转角堆叠与各向异性晶格之间相互作用可能引发独特输运性能，使得具有翘曲四方结构的材料也受到广泛关注。已有理论预测指出，在转角双层黑磷中出现的摩尔条纹会产生显著的“杂质”效应，从而导致载流子类型及其传输方向存在明显不对称性。然而，由于黑磷在空气中极不稳定，难以制备出高质量的双层结构，更不用说实际应用了。作为黑磷的同族材料，α相锑烯（α-Sb）表现出良好的空气稳定性，并且其电子结构可通过应力进行调节，因此成为研究转角翘曲体系的理想候选者。但在此之前，尚未有成功制备转角双层锑烯的相关报道。

姚裕贵教授与肖文德研究员领导的研究团队长期专注于低维翘曲单质烯类材料的理论预测及实验合成工作，在可控制备与物性研究方面取得了多项成果［J. Phys. Chem. C (2023)；J. Phys. Chem. Lett. 15 (24), 6415–6423 (2024)］。此次研究中，他们选用TiSe₂作为基底，首次实现了39°转角双层锑烯的外延生长，并利用低温扫描隧道显微镜对单层、AB堆垛以及39°转角双层锑烯进行了详尽表征。通过设定不同初始角度与环境温度下的分子动力学模拟，结果显示除常规AB堆垛形式外，还有四种转角配置下的双层α-Sb处于能量稳定状态，其中以39°最为常见，表明它在这几种构型中最稳定。进一步地，扫描隧道谱结合密度泛函理论(DFT)计算揭示：相较于AB堆垛下呈现半导体特性的双层α-Sb，39°转角结构则表现为金属性质。DFT优化模型显示，这种角度偏差引发了上层原子位置重构，并略微减小了层间距。这些变化增强了pz轨道间的跨层电子跃迁能力，从而解释了从半导体到金属转变的原因。这项工作不仅首次合成了转角双层α-Sb，还发现了其电学性质对转角角度的高度敏感性，预示着褶皱四方结构单质烯在未来转角电子器件中的巨大潜力。

图1. 双层锑烯岛的两种类型：N代表正常AB堆垛(Normal AB-stacked)，T表示39°转角(Twisted)结构。

图2. 39°转角双层锑烯的原子排列及其DFT建模结果。

图3. 针对不同初始角度与温度条件下的转角双层锑烯所作的分子动力学模拟数据。

图4. 单层、AB堆垛及39°转角双层锑烯的STS光谱与其对应的DFT能带计算图。

本项研究由北京理工大学主导完成。通讯作者为来自北京科技大学的潘斗星副教授与北理工的肖文德研究员。博士研究生肖佩瑶是论文的第一作者，李骥博士为共同第一作者。项目获得了国家重点研发计划(No. 2020YFA0308800)、国家自然科学基金(Nos. 12274029, 11802306, 12321004)以及北京理工大学物理学院先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室、纳米光子学与超精密光电系统北京市重点实验室的支持。

Peiyao Xiao#, Ji Li#, Douxing Pan*, Yongkai Li, Kejun Yu, Xu Zhang, Lu Qiao, Xianglin Peng, Lin Hu, Dongfei Wang, Zhiwei Wang, Wende Xiao*, Yugui Yao
“Twist-dependent semiconductor-to-metal transition in epitaxial bilayer α-antimonene”
Nano Lett. 25, 3166–3172 (2025)
(#为共同一作，*为通讯作者)

URL: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05713

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