华中科技大学翟天佑/吕旭杰Angew：2D无机分子晶体在高压下电荷输运的巨大可调谐性
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▲第一作者：冯昕，卜克军
通讯作者：翟天佑， 吕旭杰
通讯单位：华中科技大学
论文DOI：10.1002/anie.202217238
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全文速览
二维无机分子晶体以无机小分子为结构单元，在三个维度上均通过弱范德华力结合。分子间弱范德华力相互作用使得它们的结构和物理化学性质，如电荷输运等，在外部刺激下有望实现大幅度调控。近日，华中科技大学的翟天佑教授和北京高压科学研究中心的吕旭杰研究员合作，首次揭示了二维无机分子晶体α-Sb
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在高压下电荷输运的巨大可调谐性。
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背景介绍
自2019年翟天佑团队首次在国际上提出二维无机分子晶体概念以来，二维无机分子晶体在诸多学科领域引起人们的广泛关注，其具有长程有序的分子排列，多样性的分子结构，高的热稳定性和优异的介电性能等诸多优异属性。然而，由于弱的分子间范德华力相互作用，其通常展现出差的电荷输运性质，这严格限制了其在电子学和光电子领域的潜在应用。
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研究出发点
二维无机分子晶体本征差的电荷输运性质有望通过应变工程来改善。值得注意地，二维无机分子晶体以无机小分子为结构单元，在三个维度上均通过弱范德华力结合；其结构和与石墨烯等二维原子晶体和红荧烯等二维有机分子晶体结构均不同。结构上的巨大差异预期会诱使二维无机分子晶体物理性质，如电荷输运等，在应力下的演变与二维原子晶体和二维有机分子晶体均显著不同。
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图文解析
▲图1 垂直微距升华法制备二维α-Sb
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分子晶体
作者将垂直微距升华法制备α-Sb
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纳米薄片置于金刚石对顶砧压腔中，采集了其原位压力依赖的拉曼光谱。结果表明，Sb
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分子晶体在加压过程中先后历经三次等结构相转变，临界转变压力分别位于4GPa,10GPa,和15GPa附近。随后，利用DFT理论计算，进一步从原子水平上揭示了α-Sb
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在压缩过程中
Sb
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分子间原子距离缩短和Sb
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分子内结构变化的微观演变。
▲图2. α-Sb
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单晶纳米片原位压力依赖的拉曼光谱
分子内和分子间结构的变化引发物理化学性质的改变。键级、电子定域函数和二维电荷密度的计算结果表明，Sb
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分子间原子距离缩短导致原本弱的分子间相互作用显著增强。增强的分子间相互作用诱使二维α-Sb
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分子晶体的带隙从4.4 eV连续减小至3.3 eV，且带隙变化在解压缩过程中可逆。
▲图3. α-Sb
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分子晶体压缩过程中键级和带隙的演变
同时，增强的分子间相互作用使α-Sb
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分子晶体中的电荷输运显著改善。原位压力依赖的电阻率结果显示，其
电阻率在0-3.2GPa减小约5个数量级，而后变化甚微；且电阻率变化拐点和纳米片厚度呈现出明显的相关性：样品厚度越薄，电阻率变化拐点对应压力数值越大。得益于增强的电荷输运和减小的带隙，α-Sb
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分子晶体在高压下还展现出压力可调的光响应。
▲图5. α-Sb
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分子晶体在压力下高度可调的电荷输运
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总结和展望
该工作首次揭示了二维无机分子晶体在压力下高度可调的电荷输运性质，并从原子水平上揭示了二维无机分子晶体压缩过程中结构和分子间键合的变化；为二维无机分子晶体中的电荷输运提供了新的见解，有望推动其在光电子学和纳米机电系统领域的研究及潜在应用。
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作者介绍
通讯作者介绍：
翟天佑：
http://zml.mat.hust.edu.cn/info/1008/1140.htm
吕旭杰：
https://www.x-mol.com/groups/lv_xujie
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