在纳米尺度，二维材料的边界显著影响性质与应用。边界处具有悬挂键和边界应力，往往会引起边重构。要研究二维材料的性质，准确理解不同条件下的边结构是先决条件。具有褶皱结构的α相单层(如磷烯、砷烯、GeS、GeSe等)同时具有高迁移率和高开关比，是理想的下一代微电子材料。但其边界的研究很少，边的真实结构及其对性质的影响亟待系统、深入的研究。
大连理工大学赵纪军教授、高峻峰教授和新加坡科技发展局张永伟教授指导的suncitygroup太阳新城在读博士生张艳雪同学、赵艳艳同学利用粒子群算法CALYPSO高效结构搜索程序，经过系统的边界搜索，提出了管状边重构是褶皱α相单层锯齿形边的普适性边重构模式（见图1）。
图1. (a,b) 分别为Ge边界和S边界的CALYPSO输入模型示意图。 (c,d)分别为预测的Ge边界和S边界对比原始锯齿形边界的能量变化(ΔE)图及能量最低的ZZ(Ge-Tube)边界和ZZ(S-R)边界的原子结构。
张艳雪同学介绍：“对比原始的锯齿形边界，管状边界的边界能降低了30%以上（图2）。并且重构势垒仅仅为0.4 eV，这意味着在室温下，原始边结构完全转变管状边结构只需要纳米的时间尺度，非常容易发生。可以推断常温下所有的zigzag边都会自发的转变为管状边”。同时，管状边结构具有很好的热稳定性和化学稳定性。
图2.重构的α相单层纳米带对比原始锯齿形边界纳米带的能量变化图(虚线设为零)。
更重要的是，在多种元素组成不同的α相纳米带研究中，管状边结构总是能导致type-Ⅱ能带排列，从而导致稳健的电荷空间分离（见图3）。赵艳艳同学介绍说“我们采用了最新的含时密度泛函（Hefei-TDDFT）方法进行了系统的计算，该方法模拟的结果指出光生空穴和电子分布位于GeS纳米带的两端，非常稳健的形成了电子、空穴的分离，有效的产生了光伏电荷。”
图3. (a-e) 重构的α相单层纳米带的边界原子投影能带图及带边分解电荷密度图。(f) 电子和空穴在GeSNR的ZZ(Ge-Tube)和ZZ(S-R)之间的分离复合过程示意图。
尤为值得注意的是，重构后GeS纳米带的管状边诱导的光生载流子分离只需要672 fs，但存在寿命却可高达5 ns，如此长的寿命达到了光催化反应的时间尺度，充分表明了空间分离的电荷可以得到有效的累积，这对光电器件和光催化的应用至关重要。
该研究以“Universal Zigzag Edge Reconstruction of an α-Phase Puckered Monolayer and Its Resulting Robust Spatial Charge Separation”为题发表在领域权威杂志Nano Letters上。大连理工大学三束教育部重点实验室和suncitygroup太阳新城为第一单位。
参考文献：
1. Yanxue Zhang, Yanyan Zhao, Yizhen Bai, Junfeng Gao*, Jijun Zhao, and Yong-Wei Zhang*. Universal Zigzag Edge Reconstruction of an α-Phase Puckered Monolayer and Its Resulting Robust Spatial Charge Separation. Nano Letters (2021)
