钾掺杂少层黑磷中可调带隙的微观机制

调控二维 (2D) 材料的带隙在当代材料科学的基础研究和实际应用方面具有重要意义。最近，实验观察到由堆叠磷烯层构成的黑磷 (BP) 通过在其表面沉积钾 (K) 原子显示出广泛可调的带隙，从而为电子和光电器件的设计与优化提供了极大的灵活性。在此，基于密度泛函理论计算，我们证明了来自 K 掺杂剂的捐赠电子主要局域在最顶层的 BP 层，这种表面充电有效地屏蔽了 K 离子势。研究发现，随着 K 掺杂的增加，极端的表面充电及其对 K 原子的屏蔽作用使导带能量下移，即向更高的结合能方向移动，这是因为导带在表面附近拥有更多电荷；而这对在更深层拥有更多电荷的价带影响甚微。这一结果为观察到的可调带隙提供了不同于此前提出的巨斯塔克效应的解释，后者认为来自带正电的 K 覆盖层到带负电的 BP 层的垂直电场将导带底 ${\Gamma}_{\rm 1c}$（价带顶 ${\Gamma}_{\rm 8v}$）向下（向上）移动。本工作预测的 ${\Gamma}_{\rm 1c}$ 和 ${\Gamma}_{\rm 8v}$ 随 K 掺杂的变化关系，很好地复现了角分辨光电子能谱实验所观察到的广泛可调带隙、各向异性狄拉克半金属态以及能带反转半金属态。我们的发现为通过碱金属表面掺杂实现二维材料可调带隙工程开辟了新途径。