具有扩张石墨烯状结构的二维宽禁带 II-V 半导体

自石墨烯问世以来，二维 (2D) 材料变得极具吸引力，探索超越石墨烯的新型二维材料兴趣日益增长。在此，通过密度泛函理论 (DFT) 计算，我们预测了具有扩张石墨烯状蜂窝结构的 M$_3$X$_2$ (M=Zn, Cd 且 X=N, P, As) 二维宽禁带 II-V 半导体材料。该结构的特点是第 V 族 X 原子形成两个 X 原子平面，对称地跨立于居中的第 IIB 族 M 原子平面的两侧。研究表明，二维 Zn$_3$N$_2$、Zn$_3$P$_2$ 和 Zn$_3$As$_2$ 的直接带隙分别为 2.87、3.81 和 3.55 eV，而二维 Cd$_3$N$_2$、Cd$_3$P$_2$ 和 Cd$_3$As$_2$ 的间接带隙分别为 2.74、3.51 和 3.29 eV。这六种二维材料均显示出低至 $0.03\sim 0.05$ $m_0$ 的有效载流子（空穴或电子）质量。这些二维材料的结构稳定性与实验实现的可行性已通过 DFT 声子谱以及与相关现有块体材料的总能量比较得到展示。在实验方面，在各种有机材料中已经存在许多类似的 Zn 与其他过渡金属的双配位结构，可视为支持我们的 DFT 预测。因此，这些二维半导体能够丰富二维电子材料的家族，并可能在实现新型晶体管与光电器件方面具有广阔潜力。