南京航空航天大学刘衍朋教授 Nano Lett.:缓冲层辅助外延生长具有镜面对称性的大面积超平-碲烯

成果介绍

碲烯（Tellurene）由碲（Te）原子共价键合而成，是具有较强化学可调性的低维单元素材料。然而，受单元素组成和结构简单性的限制，长期以来实验上获得的碲烯主要是具有三角晶格的  相。这种非平面结构不仅使碲烯尺寸通常受限于微米量级，也为其范德华异质集成带来工艺挑战。此外， 相碲烯缺乏反演对称性和镜面对称性，链间孤对电子相互作用较强，使得偏离  相的平面化一维和二维碲纳米结构难以制备。由于碲原子外层具有四个  价电子，碲原子和团簇倾向于形成紧密堆积的高配位结构。如何打破这一结构倾向，实现具有对称性保护的超平一维/二维碲烯新相，是低维单元素材料合成中的关键问题。

有鉴于此，南京航空航天大学刘衍朋教授课题组利用缓冲层辅助外延策略，在  单晶表面制备出具有镜面对称性的厘米级大面积超平碲烯新相—-碲烯。作者基于成熟的分子束外延（ MBE）技术，引入 Te 缓冲层调控界面相互作用，从而抑制非平面碲相形成。实验表明，超平 -碲烯在后退火过程中经由扩展的奥氏熟化（Ostwald ripening）和 Te 解离触发相变形成。结合扫描隧道显微镜（STM）、非接触原子力显微镜（nc-AFM）、扫描透射电子显微镜（STEM）和密度泛函理论（DFT）计算，作者证实该相由高度取向一致、平躺排列的单原子锯齿状一维 Te 链构成，整体呈拉链状超结构。 进一步表征显示，-碲烯表现出区别于传统 p 型碲烯的 n 型半导体行为，实验带隙约为 ，并具有二重面内镜面对称性。由于链内强共价键与链间大间距并存，该材料在晶格热导率、力学响应和光学拉曼响应中均表现出显著面内各向异性。该工作不仅拓展了单元素二维材料的结构相图，也为微纳电子和光电子器件的图案化集成提供了新的材料平台。

图文导读

图 1：超平 -碲烯的原子结构与生长。(a) -、- 和 -碲烯的侧视与俯视原子模型，-碲烯呈拉链状构型，宽度记为 ；(b) 在  基底上通过 Te 缓冲层辅助外延生长 -碲烯的示意图；(c) -碲烯的原子分辨 STM 图像（，），插图为叠加的拉链状原子结构；(d) 对应 FFT 图像， 来源于底层  缓冲层， 对应拉链状 -碲烯；(e) 中间相的三维 STM 图像，显示连续二维区域与离散一维区域共存；(f) 沿虚线提取的高度轮廓，拉链结构高度约为 –，说明所得碲结构具有单原子层厚度。

图 2：缓冲层辅助生长 -碲烯的逐步相变过程。(a–d) Te 沉积和退火过程中四个阶段的 STM 图像：阶段 I、II、III 的 Te 覆盖率分别为 、 和 ；阶段 IV 由阶段 III 经退火获得，因 Te 解离覆盖率降至 ；(a,b) 下方面板为相应结构示意图，橙色、紫色和黄色球分别代表 Te 链、Te 缓冲层和  基底；(d) 白框显示正在发生的相变区域；(e,f) -碲烯形成的两步机制示意图，包括初始奥氏熟化和随后的 Te 解离；(g,h) 各亚稳态与稳态的基态电子能差，说明 Te 迁移与特定手性 Te 链配对在能量上更有利。

图 3： 上可规模化制备的 -碲烯形貌。(a) 在直径  的  单晶不同边缘位置采集的大面积 STM 图像，显示 -碲烯在厘米级范围内均匀形成；(b,c) 原子分辨 STM 图像及模拟图像，晶胞常数  和  与理论结构一致；(d,e) CO 修饰针尖获得的 nc-AFM 图像及模拟结果，直接显示链内 Te—Te 共价键和链间无共价连接特征；(f) -碲烯/缓冲层/ 体系的二维电子局域函数（ELF）图，表明链内电子高度局域、链间电子显著离域；(g) 后退火过程中的对称性演化，最终 -碲烯形成二重面内镜面对称性。

图 4：-碲烯的综合物性表征与应用潜力。(a) 代表性  谱和 DFT 计算能带结构，显示 -碲烯具有约  的带隙，并呈 n 型半导体特征；(b) 沿  的  和  方向获得的截面 HAADF-STEM 与 iDPC-STEM 图像，验证 -碲烯/缓冲层/ 的层状界面结构；(c) XPS 全谱及 、 核心能级谱，排除了明显氧化和合金化；(d) 自由支撑 -碲烯沿  轴和  轴计算得到的晶格热导率，显示极强面内各向异性；(e) -碲烯/缓冲层体系沿 、 方向的应力—应变关系；(f) 角分辨拉曼测试示意图及代表性拉曼光谱， 与  模式对应不同振动方向；(g)  峰强度的角分辨极坐标图，验证面内光学各向异性；(h)  模强度和半峰全宽随空气暴露时间变化，说明样品在 、湿度约  条件下具有一定空气稳定性。

结论与展望

综上，本文通过缓冲层辅助外延方法，在  基底上实现了新型单原子层超平-碲烯的可控生长。通过对覆盖  Te 的  基底在  下后退火 ，Te 纳米结构可经扩展的奥氏熟化和解离触发相变，转化为高度有序的拉链状 -碲烯。该结构由成对的单原子锯齿状一维 Te 链组成，具有二重面内镜面对称性。 不同于此前常见的 p 型碲烯，-碲烯呈现 n 型半导体行为，实验带隙为 。由于链间距较大、链内外成键差异显著，该材料在面内晶格热导率、力学响应和拉曼光学响应中均表现出强各向异性，其中晶格热导率各向异性比可达  量级。该研究拓展了单元素二维材料的结构相图，并展示了超平一维/二维碲同素异形体的可扩展制备潜力。后续若能进一步明确完全脱离  基底后的晶相，将有助于推动其在低功耗纳米光电器件中的集成应用。

文献信息

Buffer-Assisted Epitaxy of Large-Area Ultraflat -Tellurene with Mirror Symmetry

(Nano Lett., 2026, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6c01361)

文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c01361