以石墨烯為代表的碳基二維材料自發(fā)現(xiàn)以來(lái)受到了廣泛關(guān)注。然而,，石墨烯的零帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)嚴(yán)重限制了其在微電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用,。針對(duì)該情況,，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所楊思維博士，丁古巧研究員等人自2013年開(kāi)展新型碳基二維半導(dǎo)體材料的制備研究,，2014年1月成功制備了由碳和氮原子構(gòu)成的類(lèi)石墨烯蜂窩狀無(wú)孔有序結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體C3N單層材料（圖1）,，并發(fā)現(xiàn)該材料在電子注入后產(chǎn)生的鐵磁長(zhǎng)程序。相關(guān)成果于2017年2月以封面論文形式發(fā)表于Adv. Mater.（C3N—A 2D Crystalline, Hole‐Free, Tunable‐Narrow‐Bandgap Semiconductor with Ferromagnetic Properties, Advanced Materials）,。C3N的成功合成彌補(bǔ)了石墨烯無(wú)帶隙的重大缺憾,，為碳基納米材料在微電子器件的應(yīng)用提供了新的選擇，并引起了廣泛關(guān)注,。然而,，相比于目前研究已經(jīng)比較成熟的石墨烯，C3N的研究起步較晚,，該材料的基本物性研究仍有大量空白有待填補(bǔ),。

圖1. C3N晶格結(jié)構(gòu)及氫化后鐵磁長(zhǎng)程序

上述工作發(fā)表同時(shí)，楊思維博士于2016年初步實(shí)現(xiàn)AA'及AB'堆垛雙層C3N的制備（圖2）,。在此基礎(chǔ)上,，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所丁古巧研究員團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)袁清紅研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)近5年努力，借助實(shí)驗(yàn)技術(shù)與理論研究,，在雙層C3N的帶隙性質(zhì),，輸運(yùn)性質(zhì)等研究領(lǐng)域取得重大突破，結(jié)果進(jìn)一步證明雙層C3N在納米電子學(xué)等領(lǐng)域的重要應(yīng)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(guò)控制堆垛方式實(shí)現(xiàn)雙層C3N從半導(dǎo)體到金屬性轉(zhuǎn)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pz軌道耦合下費(fèi)米能級(jí)附近能帶的劈裂,。在雙層之間相互作用勢(shì)接近的前提下，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底波函數(shù)重疊的數(shù)目決定了能帶劈裂程度,，進(jìn)而影響帶隙,。其中AA 、AA',、AB ,、AB'等雙層C3N中，兩層波函數(shù)重疊的數(shù)目存在兩倍關(guān)系,，帶隙劈裂值為近似兩倍關(guān)系,。而對(duì)于雙層摩爾旋轉(zhuǎn)條紋結(jié)構(gòu),，上下層原子基本錯(cuò)開(kāi)，pz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(fā)現(xiàn)通過(guò)施加外部電場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)AB'堆垛雙層C3N帶隙的調(diào)制,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，在1.4 V nm-1的外加電場(chǎng)下，AB'堆垛的雙層C3N的帶隙下降約0.6 eV,，實(shí)現(xiàn)從半導(dǎo)體到金屬性的轉(zhuǎn)變（圖3）,。

圖3. 雙層C3N在電場(chǎng)下的帶隙調(diào)制

上述工作是C3N材料實(shí)驗(yàn)與理論研究的又一重要突破，為進(jìn)一步構(gòu)建新型全碳微電子器件提供了重要的支撐,。相關(guān)研究成果以“Stacking-Induced Bandgap Engineering of 2D-Bilayer C3N”為題在線發(fā)表于Nature Electronics,。

論文第一作者為華東師范大學(xué)在讀博士生魏文婭，中科院上海微系統(tǒng)所助理研究員楊思維博士,，寧波大學(xué)副教授王剛博士,。通訊作者為華東師范大學(xué)袁清紅教授，中科院上海微系統(tǒng)所丁古巧研究員,、蘇州大學(xué)康振輝教授,、昆士蘭大學(xué)Debra J. Searles院士。該工作研究期間,，微系統(tǒng)所丁古巧,、楊思維團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)雙層C3N的制備、堆垛調(diào)制,、結(jié)構(gòu)表征,、器件制備；華東師范大學(xué)袁清紅研究員團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)雙層C3N物理機(jī)制闡述,；寧波大學(xué)王剛副教授團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)雙層C3N光電探測(cè)應(yīng)用演示,。