天津大學Nanoscale：新型二維材料α-GeTe：具有鐵離子敏感性

【引言】

自2004年石墨烯發現以來，二維材料越來越引起人們的關注，過渡金屬硫族化合物（TMDs）、黑磷、硅烯、鍺烯、砷烯等類石墨烯二維材料的發現極大地豐富了二維材料的種類。但是現存的這些二維材料都存在一些缺點，比如，石墨烯是零帶隙的半導體材料，黑磷在空氣中不能穩定存在，因此對新型二維材料的探索研究具有很大的價值。α-GeTe能夠實現結晶與無定型的可逆相轉變，通常作為相變存儲器來研究，同時，值得注意的是α-GeTe也是一種具有層狀結構的窄帶隙半導體材料，載流子密度高達1021cm-3。根據文獻報道，對納米尺度的α-GeTe已經有了一定的研究基礎，但是對於α-GeTe的二維半導體性質還沒有過報道，因此，對於二維α-GeTe的研究具有非常重要的價值和創新性。

【成果簡介】

近日，天津大學材料科學與工程學院封偉教授課題組在Nanoscale上發表最新研究成果：「Sonication-Assisted Liquid-Phase Exfoliated α-GeTe: A Two-Dimensional Material with high Fe3+Sensitivity」。本文通過理論計算的方法證明了單層α-GeTe是熱力學穩定的間接帶隙半導體材料，而且在紫外光區有吸收。首次通過超聲輔助液相剝離法製備了少層甚至單層的α-GeTe納米片。原子力顯微鏡（AFM）表徵證明了液相法剝離得到的單層α-GeTe的厚度為1.6 nm，紫外吸收光譜證明了單層α-GeTe的光學帶隙為1.93 eV，與理論計算值較為接近。通過熒光光譜證明了α-GeTe納米片對鐵離子具有較好的選擇性，可用於鐵離子的檢測。該項研究是在國家重點研發項目和國家自然科學基金項目的支持下完成的。文章的第一作者是碩士研究生張盼盼同學。

【圖文導讀】

圖一 α-GeTe的結晶結構圖

（a）（b）α-GeTe體材料的結晶結構圖

（c）（d）單層α-GeTe的結晶結構圖

圖二 α-GeTe納米片的AFM表徵

（a）未完全剝離的α-GeTe 台階高度AFM表徵圖；

（b）台階高度的統計圖；

（c）（d）（e）Sol-A中α-GeTe 納米片的AFM表徵圖；

（f）（g）（h）Sol-A中α-GeTe 納米片的AFM表徵圖。

圖三α-GeTe納米片的TEM表徵

（a）（b）低倍TEM圖；

（c）α-GeTe納米片內部的高倍透射電鏡（HRTEM）圖和選取電子衍射圖；

（d）α-GeTe納米片邊緣的HRTEM圖。

圖四 α-GeTe納米片性能表徵及理論計算

（a）拉曼光譜圖；

（b）紫外吸收光譜圖；

（c）Tauc曲線；

（d）理論計算的帶隙結構圖；

（e）理論計算的態密度圖；

（f）理論計算的光學吸收圖。

圖五 熒光性能表徵

（a）不同金屬離子對熒光強度的影響；

（b）不同濃度鐵離子對熒光強度的影響；

（c）鐵離子的檢測極限；

（d）熒光壽命表徵。

【小結】

該研究從理論和實驗兩個方面證明了α-GeTe是一種具有間接帶隙的半導體材料，其理論帶隙為1.82 eV。實驗證明，α-GeTe體材料可以剝離成少層的α-GeTe納米片，所得到得α-GeTe納米片具有良好的結晶性，其光學帶隙為1.93 eV。另外，材料在紫外光區有吸收，可在紫外光（370 nm）的激發下發射出433 nm的藍光，可用於鐵離子的檢測。該研究發現了種新型的二維材料，進一步豐富了二維材料家族，對進一步探索新型二維的種類和獨特性質具有十分重要的意義。

文章鏈接：Sonication-Assisted Liquid-Phase Exfoliated α-GeTe: A Two-Dimensional Material with high Fe3+Sensitivity. (Nanoscale，2018，DOI: 10.1039/C8NR03091J).

本文由FOCCTJU供稿。

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