北京量子院在二维SnSe材料缺陷研究中取得重要突破

北京量子院在二维SnSe材料缺陷研究中取得重要突破

北京量子信息科学研究院低维量子材料团队在二维单层SnSe材料缺陷研究方面取得重要进展。研究团队通过低温扫描隧道显微镜（STM）与密度泛函理论（DFT）计算相结合的方法，首次全面揭示了SnSe薄膜中的8种本征缺陷和3种非本征缺陷，并实现了对缺陷的精准操控，为基于SnSe材料的新型器件设计提供了重要基础。

IV-VI族半导体材料因其独特的物理性质而备受关注。其中，SnSe材料由于其合适的带隙，在光电探测器、太阳能电池、光催化、超级电容器、气体传感器、忆阻器、热电材料和电池阳极材料等领域展现出广泛的应用前景。然而，SnSe材料中的点缺陷会对其电子结构和化学势产生显著影响，因此深入理解这些缺陷对于优化材料性能至关重要。

近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）低维量子材料团队与香港科技大学合作，在二维单层SnSe材料的缺陷研究中取得重要突破。研究团队采用低温扫描隧道显微镜（STM）与密度泛函理论（DFT）计算相结合的方法，对分子束外延（MBE）生长的单层SnSe薄膜中的点缺陷进行了系统研究。研究发现，单层SnSe薄膜中存在8种本征缺陷，包括4种空位型和4种反位缺陷。其中，空位缺陷由单个Sn原子或垂直取向的SnSe分子的缺失形成，大多数空位缺陷表现出非中心对称外观，与单层SnSe中的平面极化一致。反位缺陷（即Se原子取代Sn原子）则表现出两种不同的原子结构，尽管它们的形貌外观相似，但它们在薄膜带隙内引入的额外电子态的能量显示出显著差异。

更令人振奋的是，研究团队成功开发了一种利用STM针尖操控缺陷的方法，实现了反位缺陷向Sn空位的高成功率转化，接近100%的成功率。此外，研究还发现了3种非本征缺陷，包括Pb原子替代Sn原子和2种吸附物。

这项研究不仅首次全面揭示了SnSe薄膜中的点缺陷及其原子和电子结构，还阐明了这些缺陷对SnSe电子结构的影响，并建立了一种对点缺陷的定向操控方法。这一突破为超薄和块体SnSe的能带工程铺平了道路，为进一步设计基于SnSe材料的热电、光伏和新型非易失性逻辑器件打下了坚实基础。

针尖操纵反位缺陷（S3）转化为Sn空位（V1）的示意图。

该研究成果于2024年9月5日发表在国际知名期刊《ACS Nano》上，题为"Identification and manipulation of atomic defects in monolayer SnSe"。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技创新2030重大项目、北京市科委国际合作项目等支持。