近日，复旦大学信息科学与工程学院光科学与工程系张浩、张荣君老师与微电子学院刘文军老师合作，研究了新型掺五族元素石墨炔材料的载流子输运性质和热电性能。3月20日，该研究成果以“New group V graphyne: two-dimensional direct semiconductors with remarkable carrier mobilities, thermoelectric performance, and thermal stability”为题发表在期刊Materials Today Physics。

  碳是具有丰富价态的化学元素，其同素异性体富勒烯、纳米碳管、碳纤维与石墨烯的问世对产业与科研均产生了长达数十年的重大影响。石墨炔是1987年R. H. Baughman预言的一种碳的同素异性体，它由sp和sp²杂化碳原子组成，是所有人工设计的碳同素异性体中最稳定的一种。石墨炔具有较高的载流子迁移率和较低的晶格热导，在能源储存转化、生物医学与海水淡化等领域具有重大潜力，2010年被成功制备后，对其的研究有了快速的发展。

图 1 五族元素石墨单炔的晶体结构

  然而，与石墨烯类似，石墨炔具有狄拉克锥型的电子结构，制备的器件开关比较低，限制了其在纳米电子领域的发展。针对石墨炔近零带隙的问题，在此项工作中，研究人员利用五族元素N, P, As分别替换石墨单炔中的四个碳原子，成功预测了具有直接带隙半导体性质的三种材料(C₁₆N₄, C₁₆P₄, C₁₆As₄)。 理论计算表明，它们也是很好的耐高温材料，可以在1500 K的高温下保持稳定的晶体结构，其电子迁移率可以达到10⁵cm²V^-1s^-1量级，与石墨烯媲美。

图 2  a）C₁₆N₄ 的电子结构 b）分子动力学下C₁₆N₄ 在1500 K高温下的晶体结构 c）预测的三种材料的电子迁移率与碳基高迁移率材料的对比 d）C₁₆N₄ 的室温zT值

   复杂的晶体结构和五族元素的引入进一步降低了材料的晶格热导率，室温下其值比石墨烯小三个数量级。 这意味着材料有望将更多的热能转化为电能。 结果表明，材料的室温热电优值（zT值）在0.62-0.69的范围内，与传统的热电材料相当，并且随着温度的上升，晶格热导逐渐减小，热电优值得到进一步的提升。

  这项工作将对石墨炔系列材料在纳米电子器件、微纳能源器件等方面的实际应用打下良好基础，是复旦大学多院系、多个课题组合作研究的结果，信息学院光科系2017级博士研究生吴钰、电光源系2018级博士研究生马聪聪与工程与应用技术研究院2018级硕士研究生陈颖为论文共同第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金 (No: 11374063, 11674062，11544008)，上海市自然科学基金（19ZR1402900，18ZR1402500）等资助。