二维半导体C₃N研究获突破：理论计算揭示其真实带隙远超实验值

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我们2018年在《2D Materials》发表论文，系统阐明了新型蜂窝状二维材料C₃N从单层到块体的准粒子能带结构。我们采用密度泛函理论（DFT）与高精度GW方法发现，**单层C₃N的真实带隙约为1.5 eV**，显著高于此前实验报道的0.39 eV，为后续高性能柔性电子器件提供了理想候选材料。

层间堆叠决定“金属”还是“半导体”

我们构建四种双层与块体模型，揭示层间耦合对电子结构的巨大影响：

  • 双层C_{3}N的带隙随堆叠方式在0.87–1.35 eV之间可调；
  • 块体C_{3}N因堆叠无序可能呈现金属性或窄带隙半导体（~0.6 eV）共存。

能量几乎简并的不同堆叠相，可能在同一块样品里同时出现，这给单相半导体制备带来挑战，也为多态电子器件设计打开新思路。

计算挑战催生加速算法

针对二维材料GW计算收敛极慢的世界级难题，我们发展了一套“子空间采样+解析积分”新方法，将所需k点网格从传统的24×24×1锐减至6×6×1，计算提速一个数量级却仍保持0.02 eV精度。该算法已集成于BerkeleyGW软件包，为大规模二维材料高通量能带预测奠定工具基础。

实验-理论差距呼唤新一轮测量

论文指出，先前量子点实验测得的0.39 eV极可能受衬底屏蔽或多层效应干扰，并不对应本征单层C₃N。作者呼吁国际同行采用悬浮样品或惰性衬底开展扫描隧道谱、光电子谱等原位测量，以验证1.5 eV准粒子带隙并进一步探索C_{3}N在纳米级晶体管、光电探测器中的应用潜力。

Yabei Wu1, Weiyi Xia1, Weiwei Gao, Fanhao Jia, Peihong Zhang*, and Wei Ren*
Quasiparticle electronic structure of honeycomb C3N: from monolayer to bulk [pdf version]
2D Materials, 6, 015018 (2018)