近日，东南大学物理学院倪振华教授、吕俊鹏教授课题组利用原子簇密度和界面诱导的多重调控策略，通过理论结合实验，在二维碲烯（Te）材料中实现了原子级精准的相工程控制，相关成果以《相工程合成具有高开态电流密度的原子级碲单晶》“Phase-Engineered Synthesis of Atomically Thin Te Single Crystals with High ON-State Currents”为题发表在著名刊物Nature Communications上。
相工程是开发新一代二维新型应用（如集成电路和神经形态计算）的重要途径。二维材料不同相具有不同的原子排列和电子结构，因而展现出不同的物理、化学特性和独特的应用优势。虽然近年来已开发出多种二维材料相工程策略，包括电荷注入、等离子处理、应变、电子束掺杂和碱金属离子调控，但这些方法通常会产生热力学不稳定的低纯度相。因此，开发精准可控的相工程策略，在不牺牲二维材料固有特性的前提下生成高纯度、稳定的不同相的二维材料非常重要。范德华外延是近几年来发展起来的，可控制合成具有特定几何形状或特性的二维材料的一种技术。例如，通过操纵原子核的能量优先取向，可以实现石墨烯、氮化硼和二硫化钼等二维单晶体的设计生长，而层间范德华相互作用则与基底的表面对称性和生成畴的取向有关。此外，范德华界面相互作用还可用于调控基底和原子簇之间的界面形成能，这为二维材料的精确相控合成提供了一种可行的方法。
在本项工作中，倪振华教授、吕俊鹏教授课题组通过范德华外延方法实现了高纯度和高结晶质量的原子级薄的α-Te纳米片和β-Te纳米带的可控合成。结合理论分析发现该过程是通过原子团密度和界面相互作用引起的热力学竞争实现的。采用单层二硫化钨作为基底为范德华外延提供了平台，并诱导形成了对称六方相的α-Te纳米片和螺旋四方相的β-Te纳米带，首次在实验上实现了对α-Te和β-Te的相结构和厚度的协同控制。由于量子束缚效应，随着厚度的减小，α-Te纳米片从金属转变为n型半导体，而β-Te纳米带始终保持p型半导体性质，且其空穴迁移率高达~690.7 cm2 V-1 s-1，电流密度高达1.27 mA μm-1 （Vds = -1 V）。此外，通过该方法制备的α-Te和β-Te样品在5-6个月后仍具有良好的稳定性。本工作表明范德华外延方法是精准调控二维材料相工程的一个可靠途径，有利于推动二维材料精准构筑的发展。
东南大学物理学院倪振华教授、吕俊鹏教授和赵蓓副教授为本文的共同通讯作者。东南大学物理学院博士生周珺和博士生张贵涛，东南大学物理学院副教授王文辉为本文的共同第一作者。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45940-6
来源：物理学院