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乐动在线注册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乐动(中国)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)
