圖1. C₃N晶格結構及氫化后鐵磁長程序

上述工作發表同時，楊思維博士于2016年初步實現AA'及AB'堆垛雙層C₃N的制備（圖2）。在此基礎上，中國科學院上海微系統與信息技術研究所丁古巧研究員團隊與華東師范大學袁清紅研究員團隊通過近5年努力，借助實驗技術與理論研究，在雙層C₃N的帶隙性質，輸運性質等研究領域取得重大突破，結果進一步證明雙層C₃N在納米電子學等領域的重要應用潛力。

圖2. AA'（a-c）及AB'（d-f）堆垛雙層C₃N的HAADF-STEM圖像

該工作證明了通過控制堆垛方式實現雙層C₃N從半導體到金屬性轉變的可行性。與本征帶隙為1.23 eV的單層C₃N相比，雙層C₃N的帶隙大致可以分為三種：1）接近金屬性的AA和AA'堆垛；2）帶隙比單層減少將近30%的AB和AB'堆垛；3）與單層帶隙相近的雙層摩爾堆垛。上述帶隙變化可歸因于頂層與底層C₃N間p_z軌道耦合下費米能級附近能帶的劈裂。在雙層之間相互作用勢接近的前提下，價帶頂和導帶底波函數重疊的數目決定了能帶劈裂程度，進而影響帶隙。其中AA 、AA'、AB 、AB'等雙層C₃N中，兩層波函數重疊的數目存在兩倍關系，帶隙劈裂值為近似兩倍關系。而對于雙層摩爾旋轉條紋結構，上下層原子基本錯開，p_z軌道的重疊有限，其因此帶隙與單層C₃N接近。

更重要的是，研究還發現通過施加外部電場可實現AB'堆垛雙層C₃N帶隙的調制。實驗結果表明，在1.4 V nm^-1的外加電場下，AB'堆垛的雙層C₃N的帶隙下降約0.6 eV，實現從半導體到金屬性的轉變（圖3）。

圖3. 雙層C₃N在電場下的帶隙調制

     上述工作是C₃N材料實驗與理論研究的又一重要突破，為進一步構建新型全碳微電子器件提供了重要的支撐。相關研究成果以“Stacking-Induced Bandgap Engineering of 2D-Bilayer C₃N”為題在線發表于Nature Electronics。論文第一作者為華東師范大學在讀博士生魏文婭，中科院上海微系統所助理研究員楊思維博士，寧波大學副教授王剛博士。通訊作者為華東師范大學袁清紅教授，中科院上海微系統所丁古巧研究員、蘇州大學康振輝教授、昆士蘭大學Debra J. Searles院士。該工作研究期間，微系統所丁古巧、楊思維團隊負責雙層C₃N的制備、堆垛調制、結構表征、器件制備；華東師范大學袁清紅研究員團隊負責雙層C₃N物理機制闡述；寧波大學王剛副教授團隊負責雙層C₃N光電探測應用演示。

相關工作得到國家自然科學基金（11804353, 11774368），上海微系統所新微之星項目等資金支持。

 原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00602-z