单层2.55 eV、块体0.17 eV！C₃B刷新二维材料带隙“可调幅”纪录

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我们在《Physical Review Applied》发表研究论文，揭示**蜂窝状硼-碳化合物C₃B**从单原子层到三维块体的准粒子带隙可骤降**2.38 eV**，创纪录地展示了**“维度即带隙旋钮”**的概念。该发现为同一材料覆盖**深紫外到远红外**光电器件提供了理论可行性，也为设计**可重构晶体管**与**宽谱光电探测器**指明新方向。

“维度降维”带隙被放大15倍

  • 采用GW多体微扰理论并克服二维计算收敛难题，团队首次给出单层C_{3}B真实带隙：2.55 eV（普遍DFT结果仅0.64 eV）。
  • 当进入AA2堆垛的块体相时，层间耦合与介电屏蔽使带隙锐减至0.17 eV——单层→块体的带隙重正化幅度超过2.3 eV，远超MoS_{2}、黑磷等经典范德华材料。
  • 对比“姊妹材料”C_{3}N（单层1.5 eV→块体~0.6 eV），C₃B的可调范围扩大近一倍，成为目前带隙跨度最大的单一二维半导体体系。

“面内-面外”轨道分离带来独立调控通道

通过原子轨道投影分析，我们发现：

  • 导带底（CBM）：几乎纯C/B-pz（面外π轨道），极易受层间距/垂直应力调制；
  • 价带顶（VBM）：主要来自px+py（面内σ轨道），对面内双轴应变响应灵敏。

DFT计算显示，±2 %面内应变可上下移动价带顶0.18 eV；而改变层距0.2 Å即可调整导带底0.35 eV。这意味着电子与空穴通道可分别“独立调谐”，为构筑可编程p-n结、应力-光谱像素等未来器件奠定理论基础。

计算瓶颈突破：二维GW“加速方案”再升级

针对二维材料GW自能收敛极慢的世界难题，我们提出的“mini-BZ解析积分+能量积分”双重加速策略：

  • 将k点网格需求从18×18×1降至6×6×1；
  • 把万条空带求和压缩至约500积分点；
  • 整体提速近百倍仍保持0.02 eV精度。

该方法已集成至BerkeleyGW开源包，可为高通量筛选二维光伏、量子发射体提供可扩展的计算平台。

实验验证路线图已清晰

尽管早期块体C_{3}B样品因堆叠无序与杂质呈现金属性，但本研究预测：

  • AA2堆垛单晶在低温下应表现为窄带隙半导体（~0.17 eV）；
  • 若采用外延生长+后退火或机械叠层方式，可获得高有序度样品，进而观测红外光致发光与场效应开关比。

我们呼吁扫描隧道谱、红外吸收与门控输运等实验手段尽快介入，以验证这一“维度-带隙”超级可调性，并推动C₃B走向柔性宽光谱光电子芯片的实际应用。

Yabei Wu1, Weiyi Xia1, Yubo Zhang, Wenguang Zhu, Wenqing Zhang*, and Peihong Zhang*
Remarkable Band-Gap Renormalization via Dimensionality of the Layered Material C3B [pdf version]
Physical Review Applied, 14, 014073(2020)