探秘銻烯與砷烯納米材料：電磁與輸運(yùn)性質(zhì)的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義自2004年石墨烯被成功剝離以來，二維納米材料因其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)，在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)和電子學(xué)等領(lǐng)域引發(fā)了廣泛關(guān)注和深入研究。這種僅由一個(gè)或幾個(gè)原子層構(gòu)成的材料，展現(xiàn)出與體相材料截然不同的特性，如高載流子遷移率、強(qiáng)光學(xué)吸收、出色的機(jī)械性能等，為新一代高性能電子器件、傳感器、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換裝置等的研發(fā)提供了新的契機(jī)。隨著研究的不斷推進(jìn)，二維納米材料家族日益壯大，除了石墨烯，過渡金屬二鹵化物（如MoS?、WS?）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷（磷烯）等也成為研究熱點(diǎn)，各自在不同領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。銻烯（Antimonene）和砷烯（Arsenene）作為二維納米材料家族中的重要成員，近年來受到了科研人員的高度關(guān)注。它們分別由銻（Sb）和砷（As）原子組成，屬于第VA族元素的二維同素異形體。與其他二維材料相比，銻烯和砷烯具有一些獨(dú)特的物理性質(zhì)，使其在多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。從晶體結(jié)構(gòu)上看，銻烯和砷烯都具有類似于蜂窩狀的層狀結(jié)構(gòu)，但原子的排列方式和層間相互作用與石墨烯有所不同。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了它們一些特殊的電子性質(zhì)。例如，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，銻烯和砷烯都具有一定的固有帶隙，這與零帶隙的石墨烯形成鮮明對(duì)比。帶隙的存在使得它們?cè)诎雽?dǎo)體器件應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)，有望解決石墨烯在數(shù)字電路應(yīng)用中因缺乏帶隙而面臨的困境。銻烯和砷烯在低溫下具有較大的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度和較高的載流子遷移率，這意味著它們?cè)诟咚匐娮訉W(xué)器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制備高性能的晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。在電磁性質(zhì)方面，銻烯和砷烯展現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的特性。研究發(fā)現(xiàn)，它們的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等電磁參數(shù)與材料的層數(shù)、原子排列方式以及外部電場(chǎng)等因素密切相關(guān)。這些特性使得銻烯和砷烯在電磁屏蔽、微波吸收、傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。在電磁屏蔽方面，利用其特殊的電磁性質(zhì)，可以設(shè)計(jì)出高效的二維電磁屏蔽材料，用于保護(hù)電子設(shè)備免受電磁干擾；在傳感器領(lǐng)域，通過對(duì)其電磁響應(yīng)特性的研究，可以開發(fā)出高靈敏度的氣體傳感器、生物傳感器等，用于檢測(cè)環(huán)境中的有害氣體或生物分子。輸運(yùn)性質(zhì)是衡量材料在電子學(xué)應(yīng)用中性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。銻烯和砷烯的載流子遷移率受多種因素的影響，包括聲子散射、雜質(zhì)散射、缺陷等。深入研究這些因素對(duì)載流子遷移率的影響機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化材料的輸運(yùn)性能、提高器件的工作效率具有重要意義。通過對(duì)銻烯和砷烯輸運(yùn)性質(zhì)的研究，還可以為新型電子器件的設(shè)計(jì)和制造提供理論指導(dǎo)，推動(dòng)其在集成電路、高速通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。研究銻烯和砷烯納米材料的電磁性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從科學(xué)意義上講，深入了解這兩種材料的物理性質(zhì)和內(nèi)在機(jī)制，有助于豐富和完善二維材料的理論體系，拓展人們對(duì)低維材料物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。這不僅可以為二維材料的研究提供新的思路和方法，還可能揭示出一些新的物理規(guī)律和效應(yīng)，推動(dòng)凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用方面，對(duì)銻烯和砷烯電磁性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)的研究成果，將為新型電子器件的研發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。在未來的電子學(xué)領(lǐng)域，隨著摩爾定律逐漸逼近極限，傳統(tǒng)硅基材料面臨著尺寸縮小和性能提升的瓶頸。銻烯和砷烯等二維材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)，有望成為下一代高性能電子器件的核心材料。通過精確調(diào)控其電磁性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)，可以制備出具有更高性能的晶體管、傳感器、集成電路等，推動(dòng)電子器件向小型化、高速化、低功耗方向發(fā)展。這些研究成果還可能在能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為解決能源危機(jī)、環(huán)境污染、疾病診斷等全球性問題提供新的解決方案。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，隨著二維材料研究熱潮的興起，銻烯和砷烯作為具有獨(dú)特物理性質(zhì)的二維納米材料，吸引了國(guó)內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)的關(guān)注，相關(guān)研究取得了顯著進(jìn)展。在國(guó)外，諸多頂尖科研機(jī)構(gòu)和高校對(duì)銻烯和砷烯的研究處于前沿地位。例如，美國(guó)的一些研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如角分辨光電子能譜（ARPES）和掃描隧道顯微鏡（STM），對(duì)銻烯和砷烯的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。他們通過精確測(cè)量，揭示了材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等關(guān)鍵信息，為理解其本征物理性質(zhì)提供了重要依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，銻烯的電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)半導(dǎo)體不同的特性，其導(dǎo)帶和價(jià)帶的色散關(guān)系較為復(fù)雜，這對(duì)其在高速電子器件中的應(yīng)用具有重要影響。在砷烯的研究中，科研人員利用STM技術(shù)觀察到了砷烯表面原子的排列方式和電子云分布，進(jìn)一步證實(shí)了其理論預(yù)測(cè)的晶體結(jié)構(gòu)。歐洲的科研團(tuán)隊(duì)則在銻烯和砷烯的生長(zhǎng)制備技術(shù)方面取得了突破。他們通過化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）等方法，成功制備出高質(zhì)量、大面積的銻烯和砷烯薄膜，為后續(xù)的器件應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。采用CVD方法在特定襯底上生長(zhǎng)銻烯時(shí)，通過精確控制生長(zhǎng)條件，如溫度、氣體流量和反應(yīng)時(shí)間等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)銻烯層數(shù)和質(zhì)量的有效調(diào)控，制備出的銻烯薄膜在電子遷移率和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色。這些高質(zhì)量的薄膜材料為研究銻烯和砷烯的電磁性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)提供了優(yōu)質(zhì)的樣本，也為其在實(shí)際器件中的應(yīng)用提供了可能。國(guó)內(nèi)的科研工作者在銻烯和砷烯研究領(lǐng)域同樣成果豐碩。許多高校和科研機(jī)構(gòu)，如清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等，在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究方面都開展了深入的工作。在理論計(jì)算方面，國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用第一性原理計(jì)算、密度泛函理論（DFT）等方法，對(duì)銻烯和砷烯的電磁性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬和分析。通過理論計(jì)算，預(yù)測(cè)了不同條件下材料的電磁參數(shù)變化規(guī)律，以及載流子遷移率與材料結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)等因素的關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論指導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)，在銻烯中引入特定的雜質(zhì)原子，可以顯著改變其電子結(jié)構(gòu)和電磁性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的調(diào)控。在實(shí)驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)科研人員在材料制備、性能表征和器件應(yīng)用等方面取得了一系列重要成果。在材料制備方面，發(fā)展了多種具有創(chuàng)新性的制備方法，如等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（PACVD）、液相剝離法等，制備出了具有不同結(jié)構(gòu)和性能的銻烯和砷烯材料。利用液相剝離法制備的砷烯納米片，具有較高的結(jié)晶質(zhì)量和良好的分散性，為其在溶液加工型器件中的應(yīng)用提供了可能。在性能表征方面，利用多種先進(jìn)的表征技術(shù)，如拉曼光譜、X射線光電子能譜（XPS）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）等，對(duì)銻烯和砷烯的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了全面、深入的分析，為理解材料的物理性質(zhì)和內(nèi)在機(jī)制提供了關(guān)鍵信息。盡管國(guó)內(nèi)外在銻烯和砷烯納米材料的研究方面已經(jīng)取得了眾多成果，但仍存在一些不足與空白。在電磁性質(zhì)研究方面，雖然對(duì)材料的基本電磁參數(shù)有了一定的了解，但對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下，如高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等條件下的電磁性質(zhì)研究還相對(duì)較少。在實(shí)際應(yīng)用中，材料往往需要在各種復(fù)雜環(huán)境下工作，因此深入研究這些極端條件下的電磁性質(zhì)對(duì)于拓展其應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要。目前對(duì)于銻烯和砷烯與其他材料復(fù)合體系的電磁性質(zhì)研究還不夠系統(tǒng)，如何通過復(fù)合來優(yōu)化材料的電磁性能，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，仍是一個(gè)亟待解決的問題。在輸運(yùn)性質(zhì)研究方面，雖然對(duì)載流子遷移率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于載流子在材料中的散射機(jī)制，尤其是在多因素耦合作用下的散射機(jī)制，還缺乏深入的理解。載流子的散射過程直接影響著材料的輸運(yùn)性能，深入研究散射機(jī)制對(duì)于進(jìn)一步提高材料的載流子遷移率和優(yōu)化器件性能具有重要意義。此外，對(duì)于銻烯和砷烯納米材料在納米尺度下的量子輸運(yùn)特性研究還處于起步階段，隨著器件尺寸的不斷縮小，量子效應(yīng)將逐漸顯現(xiàn)，研究這些量子輸運(yùn)特性對(duì)于開發(fā)新型納米電子器件具有重要的理論和實(shí)際意義?，F(xiàn)有研究在銻烯和砷烯納米材料與襯底或其他材料的界面兼容性和穩(wěn)定性研究方面也存在不足。在實(shí)際器件應(yīng)用中，材料與襯底或其他材料的界面性能直接影響著器件的性能和可靠性。因此，深入研究界面兼容性和穩(wěn)定性，開發(fā)有效的界面調(diào)控技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)銻烯和砷烯納米材料在高性能器件中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文正是基于當(dāng)前研究的這些不足與空白，開展對(duì)銻烯和砷烯納米材料電磁性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)的深入研究。通過綜合運(yùn)用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究材料在不同條件下的電磁性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)，深入探討其內(nèi)在物理機(jī)制，為銻烯和砷烯納米材料的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究將圍繞銻烯和砷烯納米材料的電磁性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)展開，旨在深入揭示其內(nèi)在物理機(jī)制，為材料的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：銻烯和砷烯的電磁性質(zhì)研究：利用第一性原理計(jì)算方法，基于密度泛函理論（DFT），使用如VASP等軟件，精確計(jì)算銻烯和砷烯的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等，深入分析其與電磁性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系。通過改變材料的層數(shù)、原子排列方式以及施加外部電場(chǎng)等條件，系統(tǒng)研究這些因素對(duì)銻烯和砷烯介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等電磁參數(shù)的影響規(guī)律，揭示其電磁響應(yīng)機(jī)制。采用實(shí)驗(yàn)手段，如光譜橢偏儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等，對(duì)制備的銻烯和砷烯樣品的電磁性質(zhì)進(jìn)行精確測(cè)量，與理論計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證，確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。銻烯和砷烯的輸運(yùn)性質(zhì)研究：運(yùn)用第一性原理計(jì)算結(jié)合玻爾茲曼輸運(yùn)方程，深入研究銻烯和砷烯的載流子遷移率，分析聲子散射、雜質(zhì)散射、缺陷等因素對(duì)載流子遷移率的影響機(jī)制，明確各因素的作用程度和相互關(guān)系。通過改變材料的溫度、摻雜濃度等條件，研究其對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響規(guī)律，探索優(yōu)化材料輸運(yùn)性能的有效途徑。利用掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)銻烯和砷烯的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行表征，結(jié)合電學(xué)輸運(yùn)測(cè)量，如四探針法測(cè)量電導(dǎo)率等，從實(shí)驗(yàn)角度深入理解材料的輸運(yùn)性質(zhì)，為理論研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。銻烯和砷烯與襯底或其他材料的界面性質(zhì)研究：通過第一性原理計(jì)算，研究銻烯和砷烯與常見襯底材料（如硅、二氧化硅等）以及其他二維材料（如石墨烯、過渡金屬二鹵化物等）形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)，分析界面處的電荷轉(zhuǎn)移、化學(xué)鍵形成等現(xiàn)象，揭示界面相互作用機(jī)制。采用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線光電子能譜（XPS）等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析，與理論計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，深入研究界面兼容性和穩(wěn)定性對(duì)材料電磁性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)的影響，為器件應(yīng)用提供關(guān)鍵的界面設(shè)計(jì)指導(dǎo)。在研究方法上，本研究將采用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式。理論計(jì)算方面，利用第一性原理計(jì)算方法，基于量子力學(xué)原理，從原子尺度對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)、電磁性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行模擬和分析。這種方法能夠深入揭示材料的內(nèi)在物理機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和預(yù)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)研究方面，運(yùn)用多種先進(jìn)的材料制備技術(shù)，如化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相剝離法等，制備高質(zhì)量的銻烯和砷烯納米材料及相關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用一系列先進(jìn)的表征技術(shù)，如各種顯微鏡技術(shù)、光譜分析技術(shù)、電學(xué)測(cè)量技術(shù)等，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、電磁性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行全面、深入的表征和分析，為理論研究提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)支持。通過理論與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，本研究將全面、深入地揭示銻烯和砷烯納米材料的電磁性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)，為其在高性能電子器件、傳感器、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。二、銻烯與砷烯納米材料概述2.1銻烯納米材料銻烯是一種由銻原子組成的二維納米材料，具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和原子排列方式。其晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出類似于蜂窩狀的層狀結(jié)構(gòu)，與石墨烯的六角形晶格有所不同。在銻烯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)中，每個(gè)銻原子與周圍三個(gè)銻原子通過共價(jià)鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的平面結(jié)構(gòu)。這種共價(jià)鍵的存在使得銻烯具有一定的力學(xué)穩(wěn)定性，能夠在一定程度上承受外界的作用力。銻烯層與層之間通過較弱的范德華力相互作用，這種相互作用相較于共價(jià)鍵要弱得多，使得層與層之間可以相對(duì)滑動(dòng)，這也賦予了銻烯一些特殊的性質(zhì)。范德華力的存在使得銻烯在剝離過程中相對(duì)容易，為制備少層或單層銻烯提供了可能。層間的范德華力還對(duì)銻烯的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，是研究銻烯物理性質(zhì)時(shí)不可忽視的因素。從原子排列的角度來看，銻烯的原子平面并非完全平整，而是具有一定的起伏。這種起伏結(jié)構(gòu)使得銻烯的原子間距和鍵角存在一定的變化，進(jìn)而影響了其電子云的分布和電子結(jié)構(gòu)。原子的起伏排列還導(dǎo)致了銻烯在不同方向上的物理性質(zhì)存在一定的各向異性，這在其電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)等方面都有體現(xiàn)。作為一種半金屬材料，銻烯在電子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性方面展現(xiàn)出獨(dú)特的特性。在電子結(jié)構(gòu)上，銻烯具有一定的固有帶隙，這是其與零帶隙的石墨烯的重要區(qū)別之一。理論計(jì)算表明，單層銻烯的帶隙約為0.1-0.3eV，隨著層數(shù)的增加，帶隙會(huì)逐漸減小。這種帶隙的存在使得銻烯在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢(shì)，有望用于制備高性能的晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。銻烯的電子結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出與傳統(tǒng)半導(dǎo)體不同的色散關(guān)系。其導(dǎo)帶和價(jià)帶的色散較為復(fù)雜，這意味著電子在銻烯中的運(yùn)動(dòng)行為與傳統(tǒng)半導(dǎo)體中的電子有所不同。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體中，電子的能量與波矢之間通常呈現(xiàn)出較為簡(jiǎn)單的拋物線關(guān)系，而在銻烯中，這種關(guān)系更為復(fù)雜，這對(duì)其電學(xué)性能和載流子輸運(yùn)特性產(chǎn)生了重要影響。在導(dǎo)電性方面，銻烯具有較高的載流子遷移率。在低溫下，銻烯的載流子遷移率可達(dá)到100-1000cm2/(V?s)，這使得它在電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。高載流子遷移率意味著電子在銻烯中能夠快速移動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)高速的電子傳輸，這對(duì)于制備高速電子器件，如高速集成電路、高頻晶體管等具有重要意義。銻烯的導(dǎo)電性還受到多種因素的影響，如雜質(zhì)、缺陷和溫度等。雜質(zhì)和缺陷的存在會(huì)引入額外的散射中心，從而降低載流子遷移率，影響銻烯的導(dǎo)電性。溫度的變化也會(huì)對(duì)銻烯的導(dǎo)電性產(chǎn)生顯著影響，隨著溫度的升高，聲子散射增強(qiáng)，載流子遷移率會(huì)逐漸降低，導(dǎo)致銻烯的電阻增大。銻烯的制備方法對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能有著至關(guān)重要的影響。目前，常見的制備銻烯的方法主要包括機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、物理氣相沉積法（PVD）和液相剝離法等。機(jī)械剝離法是一種較為簡(jiǎn)單直接的制備方法，它通過使用膠帶等工具從塊狀銻晶體表面逐層剝離出少層或單層的銻烯。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠制備出高質(zhì)量的銻烯，所得銻烯的晶體結(jié)構(gòu)完整，缺陷較少，能夠較好地保留銻烯的本征物理性質(zhì)。機(jī)械剝離法的產(chǎn)量較低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，且制備過程較為繁瑣，需要較高的操作技巧，這限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣?；瘜W(xué)氣相沉積法是在高溫和催化劑的作用下，使氣態(tài)的銻源（如三氯化銻等）在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積并生長(zhǎng)出銻烯。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)大面積的銻烯生長(zhǎng)，適合大規(guī)模制備。通過精確控制生長(zhǎng)條件，如溫度、氣體流量、反應(yīng)時(shí)間等，可以有效地調(diào)控銻烯的層數(shù)和質(zhì)量。在較高的溫度下生長(zhǎng)的銻烯，其結(jié)晶質(zhì)量通常較好，載流子遷移率也相對(duì)較高。化學(xué)氣相沉積法制備的銻烯往往存在與襯底的晶格失配問題，這可能會(huì)導(dǎo)致銻烯中引入缺陷，影響其性能。生長(zhǎng)過程中使用的催化劑也可能會(huì)殘留雜質(zhì)，對(duì)銻烯的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。物理氣相沉積法是在高真空環(huán)境下，將銻原子通過蒸發(fā)或?yàn)R射等方式沉積到襯底表面，形成銻烯。這種方法可以精確控制原子的沉積速率和沉積量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)銻烯生長(zhǎng)層數(shù)和質(zhì)量的精確控制。物理氣相沉積法制備的銻烯與襯底的結(jié)合力較強(qiáng)，且生長(zhǎng)過程中引入的雜質(zhì)較少。該方法設(shè)備昂貴，制備成本高，產(chǎn)量較低，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。液相剝離法是將塊狀銻晶體分散在合適的溶劑中，通過超聲、攪拌等手段使層間的范德華力被破壞，從而剝離出銻烯納米片。液相剝離法具有操作簡(jiǎn)單、成本低、可大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)。由于溶劑分子的存在，可能會(huì)對(duì)銻烯的表面性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致制備出的銻烯質(zhì)量參差不齊，載流子遷移率等性能指標(biāo)相對(duì)較低。2.2砷烯納米材料砷烯是由砷原子組成的二維材料，其晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)。砷烯具有類似于蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，與銻烯的結(jié)構(gòu)有一定相似性，但在原子排列和鍵長(zhǎng)等方面存在差異。在砷烯的蜂窩狀晶格中，每個(gè)砷原子與周圍三個(gè)砷原子通過共價(jià)鍵相連，形成穩(wěn)定的平面結(jié)構(gòu)。這種共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角對(duì)砷烯的物理性質(zhì)有著重要影響，精確測(cè)量和理論計(jì)算表明，砷烯中砷-砷原子間的共價(jià)鍵長(zhǎng)約為2.51?，鍵角約為96°，這種特定的鍵長(zhǎng)和鍵角決定了砷烯的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和原子平面的幾何形狀。與銻烯類似，砷烯層與層之間也是通過范德華力相互作用。范德華力的存在使得砷烯在層間具有一定的柔韌性，同時(shí)也影響著其電子在層間的傳輸特性。在研究砷烯的物理性質(zhì)時(shí)，需要考慮范德華力對(duì)電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)的影響，它不僅會(huì)導(dǎo)致電子在層間的散射，還可能影響材料的能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率。從原子平面的形態(tài)來看，砷烯的原子平面并非完全平整，而是存在一定的起伏。這種起伏結(jié)構(gòu)使得砷烯的原子間距和電子云分布存在各向異性，進(jìn)而導(dǎo)致其物理性質(zhì)在不同方向上表現(xiàn)出差異。在電學(xué)性質(zhì)方面，電子在不同方向上的遷移率可能不同；在光學(xué)性質(zhì)方面，對(duì)不同方向偏振光的吸收和發(fā)射也可能存在差異。這種各向異性的物理性質(zhì)為砷烯在各向異性器件中的應(yīng)用提供了潛在的可能性，如可用于制備具有方向選擇性的光電探測(cè)器、偏振敏感的光學(xué)傳感器等。砷烯是一種具有半導(dǎo)體特性的二維材料，其帶隙和載流子遷移率等特性對(duì)其在電子學(xué)和光電器件中的應(yīng)用具有重要意義。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，單層砷烯具有一定的固有帶隙，其帶隙值約為1.2-1.5eV，屬于直接帶隙半導(dǎo)體。這種直接帶隙特性使得砷烯在光電器件應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如在光電探測(cè)器中，能夠直接吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換；在發(fā)光二極管中，電子和空穴能夠直接復(fù)合發(fā)光，有望實(shí)現(xiàn)高效的發(fā)光。隨著砷烯層數(shù)的增加，其帶隙會(huì)逐漸減小，這種變化趨勢(shì)與銻烯類似。當(dāng)層數(shù)增加到一定程度時(shí)，砷烯的帶隙會(huì)趨近于體相砷的帶隙。這種帶隙隨層數(shù)的變化特性為通過調(diào)控層數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)砷烯電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控提供了可能。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的器件需求，選擇合適層數(shù)的砷烯，以滿足對(duì)帶隙的特定要求。在載流子遷移率方面，砷烯在室溫下表現(xiàn)出較高的載流子遷移率，其值可達(dá)到100-1000cm2/(V?s)，這使得它在電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。高載流子遷移率意味著電子在砷烯中能夠快速移動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)高速的電子傳輸，從而提高電子器件的運(yùn)行速度和性能。在制備高速晶體管時(shí)，高載流子遷移率的砷烯可以作為溝道材料，有效降低器件的電阻和功耗，提高器件的開關(guān)速度。砷烯的載流子遷移率受到多種因素的影響，如聲子散射、雜質(zhì)散射和缺陷等。聲子散射是載流子遷移率的主要限制因素之一，隨著溫度的升高，聲子的振動(dòng)加劇，聲子散射增強(qiáng)，導(dǎo)致載流子遷移率降低。雜質(zhì)和缺陷的存在會(huì)引入額外的散射中心，使得載流子在運(yùn)動(dòng)過程中與這些散射中心相互作用，從而降低遷移率。在砷烯中引入雜質(zhì)原子或存在晶格缺陷時(shí)，載流子遷移率會(huì)明顯下降。砷烯存在多種晶相，不同晶相的砷烯在晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)上存在一定差異。常見的砷烯晶相包括灰砷（菱方晶相）、黑砷（正交晶相）和黃砷（As?分子晶體）?；疑榫哂蟹涓C狀晶體結(jié)構(gòu)，是一種半金屬材料。其晶體結(jié)構(gòu)中，原子的排列方式?jīng)Q定了它具有一定的導(dǎo)電性，但由于其半金屬特性，在某些應(yīng)用中可能受到限制。在需要精確控制電子傳輸和帶隙的半導(dǎo)體器件中，灰砷的半金屬性質(zhì)可能無法滿足要求。然而，在一些對(duì)導(dǎo)電性要求較高且對(duì)帶隙要求不嚴(yán)格的應(yīng)用中，如某些特定的電極材料或?qū)щ娞砑觿疑榈陌虢饘偬匦钥赡芫哂幸欢ǖ膬?yōu)勢(shì)。黑砷具有類似于黑磷的晶體結(jié)構(gòu)，單層和少層黑砷表現(xiàn)出半導(dǎo)體性。黑砷的晶體結(jié)構(gòu)中，原子的排列方式使其具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。與其他晶相相比，黑砷在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢(shì)，其半導(dǎo)體特性使得它在晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等器件中有望展現(xiàn)出良好的性能。由于其具有合適的帶隙和較高的載流子遷移率，黑砷可以用于制備高性能的邏輯器件和傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的高效處理和檢測(cè)。黃砷是一種分子晶體型的砷烯，表現(xiàn)為絕緣體。其分子晶體結(jié)構(gòu)決定了電子在其中的運(yùn)動(dòng)受到很大限制，幾乎無法自由移動(dòng)，因此呈現(xiàn)出絕緣特性。在一些需要絕緣材料的應(yīng)用場(chǎng)景中，如電子器件的絕緣層、電隔離材料等，黃砷的絕緣特性可能具有應(yīng)用價(jià)值。在集成電路中，需要使用絕緣材料來隔離不同的電路元件，以防止電流泄漏和干擾，黃砷作為一種二維絕緣材料，可能為集成電路的小型化和高性能化提供新的選擇。不同晶相砷烯的這些性質(zhì)差異，為其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供了多樣化的選擇。通過對(duì)不同晶相砷烯的研究和開發(fā)，可以充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。2.3二者的比較與聯(lián)系銻烯和砷烯在晶體結(jié)構(gòu)上存在相似之處，都具有類似于蜂窩狀的層狀結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，原子通過共價(jià)鍵相互連接形成穩(wěn)定的平面，層與層之間通過較弱的范德華力相互作用。這種結(jié)構(gòu)上的相似性使得它們?cè)谝恍┪锢硇再|(zhì)上也表現(xiàn)出一定的共性，都具有一定的柔韌性和機(jī)械穩(wěn)定性，能夠在一定程度上承受外界的作用力而不發(fā)生結(jié)構(gòu)的破壞。二者在原子排列和鍵長(zhǎng)等方面存在明顯差異。銻烯中銻-銻原子間的共價(jià)鍵長(zhǎng)與砷烯中砷-砷原子間的共價(jià)鍵長(zhǎng)不同，鍵角也存在差異。這些差異導(dǎo)致了它們晶體結(jié)構(gòu)的細(xì)微不同，進(jìn)而影響了其電子云的分布和物理性質(zhì)。由于原子排列和鍵長(zhǎng)的差異，銻烯和砷烯的電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)也有所不同，這使得它們?cè)陔妼W(xué)、光學(xué)等性質(zhì)上表現(xiàn)出差異。在電子性質(zhì)方面，銻烯和砷烯都具有一定的固有帶隙，這是它們與零帶隙的石墨烯的重要區(qū)別。銻烯的帶隙相對(duì)較小，單層銻烯的帶隙約為0.1-0.3eV，而砷烯的帶隙相對(duì)較大，單層砷烯的帶隙約為1.2-1.5eV。這種帶隙的差異使得它們?cè)诎雽?dǎo)體器件應(yīng)用中具有不同的優(yōu)勢(shì)和適用范圍。銻烯較小的帶隙使其在一些對(duì)帶隙要求較低、需要高速電子傳輸?shù)钠骷芯哂袧撛趹?yīng)用價(jià)值，如高速晶體管；砷烯較大的帶隙則使其更適合應(yīng)用于一些對(duì)帶隙要求較高、需要精確控制電子傳輸?shù)钠骷?，如光電探測(cè)器和發(fā)光二極管。二者的載流子遷移率也存在差異。在低溫下，銻烯和砷烯都具有較高的載流子遷移率，但銻烯的載流子遷移率相對(duì)更高一些。研究表明，銻烯在低溫下的載流子遷移率可達(dá)到100-1000cm2/(V?s)，而砷烯在室溫下的載流子遷移率為100-1000cm2/(V?s)。載流子遷移率的差異與它們的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及聲子散射等因素密切相關(guān)。不同的原子排列和電子云分布導(dǎo)致了載流子在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的散射不同，從而影響了載流子遷移率。在物理特性方面，銻烯和砷烯在光學(xué)、力學(xué)等方面也表現(xiàn)出一定的差異。在光學(xué)性質(zhì)上，由于它們的電子結(jié)構(gòu)和帶隙不同，對(duì)光的吸收和發(fā)射特性也有所不同。砷烯作為直接帶隙半導(dǎo)體，在光電器件中能夠更有效地吸收和發(fā)射光子，實(shí)現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換；而銻烯的光學(xué)性質(zhì)則使其在一些對(duì)光吸收和發(fā)射要求相對(duì)較低，但對(duì)電子傳輸速度要求較高的光學(xué)器件中具有潛在應(yīng)用。在力學(xué)性質(zhì)上，雖然它們都具有一定的機(jī)械穩(wěn)定性，但由于原子間的相互作用和晶體結(jié)構(gòu)的差異，其力學(xué)性能也存在一定的差異。銻烯的原子間相互作用和晶體結(jié)構(gòu)使其在承受一定的拉伸和彎曲應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出較好的柔韌性和穩(wěn)定性；而砷烯在力學(xué)性能上可能更側(cè)重于抵抗某些特定方向的應(yīng)力，這與它的原子排列的各向異性有關(guān)。從元素組成和結(jié)構(gòu)類型來看，銻烯和砷烯都屬于第VA族元素的二維同素異形體。它們的原子最外層都具有5個(gè)電子，這使得它們?cè)谛纬啥S結(jié)構(gòu)時(shí)，通過共價(jià)鍵與周圍原子相互連接，形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。這種元素組成和結(jié)構(gòu)類型上的聯(lián)系，使得它們?cè)谝恍┪锢硇再|(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上具有一定的相似性，都具有一定的化學(xué)活性，在一定條件下能夠與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化合物或復(fù)合材料。三、銻烯與砷烯納米材料的電磁性質(zhì)3.1銻烯納米材料的電磁性質(zhì)3.1.1電學(xué)性質(zhì)銻烯的電學(xué)性質(zhì)是其重要的物理特性之一，對(duì)于其在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有關(guān)鍵意義。電導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)電能力的重要參數(shù)，它反映了材料中自由載流子的數(shù)量和遷移能力。在銻烯中，電導(dǎo)率與載流子遷移率密切相關(guān)，載流子遷移率越高，電導(dǎo)率通常也越高。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，銻烯的電導(dǎo)率受到多種因素的顯著影響。層數(shù)是影響銻烯電導(dǎo)率的重要因素之一。隨著銻烯層數(shù)的增加，其電導(dǎo)率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诙鄬愉R烯中，層間的電子相互作用增強(qiáng)，電子的傳輸路徑增多，使得電子更容易在材料中移動(dòng)，從而提高了電導(dǎo)率。單層銻烯的電導(dǎo)率相對(duì)較低，而當(dāng)層數(shù)增加到一定程度時(shí)，電導(dǎo)率會(huì)顯著提高，接近體相銻的電導(dǎo)率。溫度對(duì)銻烯的電導(dǎo)率也有重要影響。在低溫范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，銻烯的電導(dǎo)率逐漸增大。這是因?yàn)樵诘蜏叵拢娮拥臒徇\(yùn)動(dòng)較弱，散射中心的影響相對(duì)較大，導(dǎo)致電子的遷移率較低，電導(dǎo)率也較低。隨著溫度的升高，電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，電子的平均自由程增加，散射中心的影響相對(duì)減小，電子遷移率增大，從而電導(dǎo)率增大。當(dāng)溫度升高到一定程度后，電導(dǎo)率會(huì)隨著溫度的升高而逐漸減小。這是因?yàn)樵诟邷叵?，聲子散射等因素的影響逐漸增強(qiáng)，電子與聲子的相互作用加劇，導(dǎo)致電子的散射概率增加，遷移率降低，電導(dǎo)率也隨之減小。雜質(zhì)和缺陷的存在對(duì)銻烯的電導(dǎo)率有顯著的負(fù)面影響。雜質(zhì)原子的引入會(huì)改變銻烯的電子結(jié)構(gòu)，引入額外的散射中心，從而降低載流子遷移率，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。在銻烯中摻雜其他原子，如硅、鍺等，會(huì)在材料中引入雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)會(huì)散射電子，使電子的遷移率降低，進(jìn)而影響電導(dǎo)率。缺陷，如空位、位錯(cuò)等，也會(huì)破壞銻烯的晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子散射增加，電導(dǎo)率下降。以β型銻烯為例，通過第一性原理計(jì)算研究其熱電輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，β型銻烯的電導(dǎo)率與晶體結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)密切相關(guān)。其晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性決定了電子在其中的傳輸路徑和散射情況，而電子狀態(tài)則影響了載流子的濃度和遷移率。在β型銻烯中，原子間的共價(jià)鍵和層間的范德華力共同作用，維持了晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)為電子的傳輸提供了一定的通道，但當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在缺陷或雜質(zhì)時(shí)，電子的傳輸會(huì)受到阻礙，電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化。通過改變?chǔ)滦弯R烯的外界條件，如施加電場(chǎng)、改變溫度等，可以調(diào)控其電導(dǎo)率。施加電場(chǎng)可以改變電子的運(yùn)動(dòng)方向和速度，從而影響電導(dǎo)率；改變溫度則會(huì)通過影響聲子散射等因素來改變電導(dǎo)率。載流子遷移率是描述材料中載流子移動(dòng)速度的物理量，它是衡量材料電學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。在銻烯中，載流子遷移率的大小取決于多種因素，包括載流子的有效質(zhì)量、散射機(jī)制以及材料的晶體結(jié)構(gòu)等。載流子的有效質(zhì)量是影響遷移率的重要因素之一。有效質(zhì)量越小，載流子在電場(chǎng)作用下的加速度越大，遷移率也就越高。在銻烯中，電子的有效質(zhì)量相對(duì)較小，這使得電子在其中具有較高的遷移率。理論計(jì)算表明，銻烯中電子的有效質(zhì)量約為自由電子質(zhì)量的0.1-0.3倍，這種較小的有效質(zhì)量是銻烯具有較高載流子遷移率的重要原因之一。散射機(jī)制是影響載流子遷移率的關(guān)鍵因素。在銻烯中，主要存在聲子散射、雜質(zhì)散射和缺陷散射等散射機(jī)制。聲子散射是由于晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子與載流子相互作用而引起的散射。在低溫下，聲子散射相對(duì)較弱，載流子遷移率較高；隨著溫度的升高，聲子的振動(dòng)加劇，聲子散射增強(qiáng)，載流子遷移率降低。雜質(zhì)散射是由于雜質(zhì)原子的存在，在材料中引入了額外的散射中心，導(dǎo)致載流子與雜質(zhì)原子相互作用而發(fā)生散射。雜質(zhì)散射的強(qiáng)度與雜質(zhì)的濃度和種類有關(guān)，雜質(zhì)濃度越高，散射越強(qiáng)，載流子遷移率越低。缺陷散射是由于晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷，如空位、位錯(cuò)等，破壞了晶格的周期性，導(dǎo)致載流子在運(yùn)動(dòng)過程中與缺陷相互作用而發(fā)生散射。缺陷散射也會(huì)降低載流子遷移率，且缺陷的密度越高，散射越強(qiáng)，遷移率越低。材料的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)載流子遷移率也有重要影響。銻烯的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)使其在不同方向上的原子排列和電子云分布存在差異，從而導(dǎo)致載流子遷移率具有各向異性。在某些方向上，載流子的遷移率較高，而在其他方向上則較低。這種各向異性的載流子遷移率在一些應(yīng)用中具有重要意義，如在制備各向異性的電子器件時(shí)，可以利用這種特性來實(shí)現(xiàn)特定的電學(xué)性能。3.1.2磁學(xué)性質(zhì)銻烯本身是一種非磁性材料，其原子的電子結(jié)構(gòu)使得在正常情況下，電子的自旋磁矩和軌道磁矩相互抵消，整體不表現(xiàn)出磁性。然而，通過一些特定的方法，如原子吸附、缺陷引入和與磁性材料復(fù)合等，可以誘導(dǎo)銻烯產(chǎn)生磁性。原子吸附是一種常用的誘導(dǎo)銻烯磁性的方法。當(dāng)磁性原子吸附在銻烯表面時(shí)，磁性原子的未配對(duì)電子與銻烯中的電子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致電子自旋重排，從而使銻烯產(chǎn)生磁性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵（Fe）原子吸附在銻烯表面時(shí)，F(xiàn)e原子的3d電子與銻烯中的電子發(fā)生雜化，改變了電子的自旋狀態(tài)，使銻烯產(chǎn)生了明顯的磁性。這種由原子吸附誘導(dǎo)的磁性與吸附原子的種類、數(shù)量和吸附位置密切相關(guān)。不同的吸附原子具有不同的電子結(jié)構(gòu)和磁矩，它們與銻烯的相互作用方式也不同，因此會(huì)導(dǎo)致銻烯產(chǎn)生不同程度和性質(zhì)的磁性。吸附原子的數(shù)量和吸附位置也會(huì)影響磁性的強(qiáng)弱和分布。當(dāng)吸附原子數(shù)量增加時(shí)，磁性可能會(huì)增強(qiáng)，但過多的吸附原子可能會(huì)導(dǎo)致銻烯結(jié)構(gòu)的破壞，反而影響磁性。吸附位置的不同會(huì)導(dǎo)致磁性原子與銻烯中電子的相互作用不同，從而影響磁性的產(chǎn)生和分布。缺陷引入也是誘導(dǎo)銻烯磁性的有效途徑。在銻烯中引入空位、位錯(cuò)等缺陷后，缺陷周圍的電子云分布會(huì)發(fā)生變化，形成未配對(duì)電子，從而產(chǎn)生磁性。通過高能粒子輻照或化學(xué)處理等方法，可以在銻烯中引入缺陷。當(dāng)銻烯中存在空位缺陷時(shí)，空位周圍的銻原子的電子云會(huì)發(fā)生畸變，形成未配對(duì)電子，這些未配對(duì)電子的自旋磁矩相互作用，使銻烯產(chǎn)生磁性。缺陷的類型和濃度對(duì)銻烯的磁性有重要影響。不同類型的缺陷對(duì)電子云分布的影響不同，從而導(dǎo)致磁性的差異?？瘴蝗毕莺臀诲e(cuò)缺陷對(duì)電子云分布的影響方式不同，產(chǎn)生的磁性也有所不同。缺陷濃度的增加會(huì)導(dǎo)致未配對(duì)電子數(shù)量的增加，從而使磁性增強(qiáng)，但過高的缺陷濃度可能會(huì)破壞銻烯的晶體結(jié)構(gòu)，降低磁性的穩(wěn)定性。與磁性材料復(fù)合是另一種使銻烯獲得磁性的方法。將銻烯與磁性材料（如鐵磁體、亞鐵磁體等）復(fù)合形成復(fù)合材料后，由于兩種材料之間的界面相互作用，銻烯可能會(huì)受到磁性材料的影響而產(chǎn)生磁性。將銻烯與鐵磁材料復(fù)合時(shí)，在界面處，銻烯中的電子與鐵磁材料中的電子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致銻烯中的電子自旋發(fā)生極化，從而產(chǎn)生磁性。這種復(fù)合體系的磁性不僅與兩種材料的性質(zhì)有關(guān)，還與它們的復(fù)合方式、界面結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。不同的復(fù)合方式，如層狀復(fù)合、顆粒復(fù)合等，會(huì)導(dǎo)致兩種材料之間的相互作用不同，從而影響磁性的產(chǎn)生和表現(xiàn)。界面結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)復(fù)合體系的磁性產(chǎn)生重要影響，良好的界面結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)兩種材料之間的相互作用，提高復(fù)合體系的磁性。當(dāng)銻烯處于外磁場(chǎng)中時(shí)，其磁學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化。外磁場(chǎng)的存在會(huì)對(duì)銻烯中的電子自旋產(chǎn)生影響，從而改變其磁性。在弱外磁場(chǎng)下，銻烯的磁化強(qiáng)度會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增加而逐漸增加，呈現(xiàn)出線性變化關(guān)系。這是因?yàn)樵谌跬獯艌?chǎng)作用下，電子自旋在外磁場(chǎng)的作用下逐漸發(fā)生取向，使得銻烯的磁化強(qiáng)度逐漸增大。這種線性變化關(guān)系符合順磁性材料的特性，表明在弱外磁場(chǎng)下，銻烯表現(xiàn)出一定的順磁性。隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，銻烯的磁化強(qiáng)度會(huì)逐漸趨于飽和。這是因?yàn)楫?dāng)外磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，電子自旋幾乎全部取向于外磁場(chǎng)方向，此時(shí)再增加外磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度也不會(huì)明顯增加。在飽和狀態(tài)下，銻烯的磁性達(dá)到最大值，其磁學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。外磁場(chǎng)對(duì)銻烯的電子結(jié)構(gòu)也有重要影響。理論計(jì)算表明，外磁場(chǎng)的施加會(huì)導(dǎo)致銻烯的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使電子的能量狀態(tài)發(fā)生改變。在某些情況下，外磁場(chǎng)的作用可能會(huì)打開銻烯的能隙，或者改變能隙的大小。這種電子結(jié)構(gòu)的變化會(huì)進(jìn)一步影響銻烯的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，如電導(dǎo)率、載流子遷移率等。當(dāng)外磁場(chǎng)導(dǎo)致銻烯能隙發(fā)生變化時(shí)，其電導(dǎo)率和載流子遷移率也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變，從而影響其在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用性能。3.2砷烯納米材料的電磁性質(zhì)3.2.1電學(xué)性質(zhì)砷烯的電學(xué)性質(zhì)是其重要的物理特性之一，對(duì)其在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用起著關(guān)鍵作用。不同晶相的砷烯在電學(xué)性質(zhì)上存在顯著差異，這與它們的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?；疑樽鳛橐环N具有蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)的砷烯晶相，表現(xiàn)出半金屬性。在灰砷的晶體結(jié)構(gòu)中，原子的排列方式使得其電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，導(dǎo)帶和價(jià)帶存在一定程度的重疊，導(dǎo)致電子在其中的傳輸較為容易，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。這種半金屬特性使得灰砷在一些對(duì)導(dǎo)電性要求較高的應(yīng)用中具有潛在價(jià)值，如在某些特定的電極材料或?qū)щ娞砑觿┲?，灰砷的半金屬性質(zhì)可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效的電子傳輸。黑砷具有類似于黑磷的晶體結(jié)構(gòu)，單層和少層黑砷表現(xiàn)出半導(dǎo)體性。其晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列和電子云分布決定了它具有一定的固有帶隙，使得電子在其中的傳輸需要克服一定的能量障礙。這種半導(dǎo)體特性使得黑砷在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有廣闊的前景，如在晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等器件中，黑砷可以作為溝道材料，通過控制其電學(xué)性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的精確調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)高性能的邏輯運(yùn)算和信號(hào)處理。黃砷是一種分子晶體型的砷烯，表現(xiàn)為絕緣體。其分子晶體結(jié)構(gòu)中，原子之間通過分子間作用力結(jié)合，電子被束縛在分子內(nèi)部，難以在材料中自由移動(dòng)，因此呈現(xiàn)出絕緣特性。在一些需要絕緣材料的應(yīng)用場(chǎng)景中，如電子器件的絕緣層、電隔離材料等，黃砷的絕緣特性可以滿足這些需求，有效防止電流泄漏和干擾，確保電子器件的正常運(yùn)行。電場(chǎng)對(duì)砷烯電學(xué)性質(zhì)的影響是多方面的。施加外部電場(chǎng)可以改變砷烯的能帶結(jié)構(gòu)，從而影響其電學(xué)性質(zhì)。當(dāng)施加垂直于砷烯平面的電場(chǎng)時(shí)，砷烯的能帶會(huì)發(fā)生傾斜，導(dǎo)致導(dǎo)帶和價(jià)帶的相對(duì)位置發(fā)生變化。這種變化會(huì)影響電子在砷烯中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而改變其電導(dǎo)率和載流子遷移率。在一定范圍內(nèi)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，砷烯的電導(dǎo)率可能會(huì)發(fā)生變化，這是因?yàn)殡妶?chǎng)的作用改變了電子的散射機(jī)制和遷移率。電場(chǎng)還可以調(diào)控砷烯的帶隙。通過施加合適的電場(chǎng)強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)砷烯帶隙的調(diào)節(jié)，使其在一定范圍內(nèi)增大或減小。這種帶隙的調(diào)控對(duì)于砷烯在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用具有重要意義，在制備晶體管時(shí)，可以通過施加電場(chǎng)來調(diào)節(jié)砷烯的帶隙，以滿足不同器件性能的要求，提高器件的開關(guān)速度和降低功耗。摻雜是一種常用的調(diào)控砷烯電學(xué)性質(zhì)的方法。通過在砷烯中引入雜質(zhì)原子，可以改變其電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。當(dāng)在砷烯中進(jìn)行n型摻雜時(shí)，如引入磷（P）、銻（Sb）等雜質(zhì)原子，這些雜質(zhì)原子會(huì)提供額外的電子，增加材料中的電子濃度，從而改變砷烯的電學(xué)性質(zhì)。這些額外的電子會(huì)進(jìn)入砷烯的導(dǎo)帶，使得導(dǎo)帶中的電子數(shù)量增多，電導(dǎo)率增大。n型摻雜還會(huì)影響砷烯的載流子遷移率，雜質(zhì)原子的引入可能會(huì)增加電子的散射中心，導(dǎo)致載流子遷移率降低，但在一定的摻雜濃度范圍內(nèi)，通過合理的制備工藝和雜質(zhì)分布控制，可以在提高電導(dǎo)率的同時(shí)，盡量減少對(duì)載流子遷移率的負(fù)面影響。進(jìn)行p型摻雜時(shí)，如引入硼（B）、鋁（Al）等雜質(zhì)原子，這些雜質(zhì)原子會(huì)在砷烯中產(chǎn)生空穴，增加空穴濃度?？昭ㄗ鳛橐环N載流子，其濃度的增加會(huì)改變砷烯的電學(xué)性質(zhì)，使材料表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體的特性。p型摻雜同樣會(huì)對(duì)砷烯的載流子遷移率產(chǎn)生影響，雜質(zhì)原子和空穴的相互作用會(huì)影響電子的散射過程，從而改變載流子遷移率。通過精確控制摻雜濃度和雜質(zhì)分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)砷烯電學(xué)性質(zhì)的精細(xì)調(diào)控，以滿足不同電子器件的需求。3.2.2磁學(xué)性質(zhì)非金屬原子摻雜對(duì)砷烯納米管的磁電子性質(zhì)具有顯著影響。研究表明，當(dāng)非金屬原子X（X=B,N,P,Si,Se,Te）取代性摻雜扶手椅型砷烯納米管AsANT時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、磁電子性質(zhì)和載流子遷移率發(fā)生變化。計(jì)算的結(jié)合能和形成能證明了雜質(zhì)管AsANT-X的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這意味著這些摻雜后的結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)中具有實(shí)現(xiàn)的可能性。在雜質(zhì)管電子結(jié)構(gòu)方面，AsANT-X（X=B,N,P）表現(xiàn)為無磁半導(dǎo)體，而AsANT-X（X=Si,Se,Te）則呈現(xiàn)為雙極化磁性半導(dǎo)體。這種磁性的產(chǎn)生源于雜質(zhì)原子與As之間未配對(duì)電子的出現(xiàn)。以AsANT-Si為例，Si原子的摻雜使得砷烯納米管中出現(xiàn)了未配對(duì)電子，這些未配對(duì)電子的自旋磁矩相互作用，從而產(chǎn)生了磁性。通過摻雜可以靈活調(diào)控AsANT的載流子遷移率到一個(gè)較寬的范圍，并且呈現(xiàn)明顯的載流子極性和自旋極性。在AsANT-Se中，載流子遷移率可能會(huì)因?yàn)镾e原子的摻雜而發(fā)生顯著變化，且在不同的自旋方向和載流子類型（電子或空穴）下，遷移率表現(xiàn)出不同的特性。這種載流子遷移率的調(diào)控和極性特性對(duì)于設(shè)計(jì)自旋極化輸運(yùn)的器件具有重要意義，在自旋電子學(xué)器件中，可以利用這種特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋和輸運(yùn)的精確控制。砷烯納米管的磁性主要來源于雜質(zhì)原子與As原子之間形成的未配對(duì)電子。當(dāng)Si、Se、Te等原子摻雜到砷烯納米管中時(shí)，它們與周圍的As原子形成的化學(xué)鍵使得電子云分布發(fā)生變化，產(chǎn)生了未配對(duì)電子。這些未配對(duì)電子的自旋磁矩不能相互抵消，從而導(dǎo)致整個(gè)體系具有磁性。對(duì)于AsANT-Si，Si原子的電子構(gòu)型與As原子不同，在摻雜后，Si原子與周圍As原子的電子相互作用，使得部分電子的自旋狀態(tài)發(fā)生改變，形成了未配對(duì)電子，進(jìn)而產(chǎn)生磁性。這種磁性的大小和方向與雜質(zhì)原子的種類、摻雜位置以及周圍原子的環(huán)境密切相關(guān)。不同的雜質(zhì)原子具有不同的電子結(jié)構(gòu)和電負(fù)性，它們與As原子的相互作用方式也不同，因此會(huì)導(dǎo)致磁性的差異。摻雜位置的不同會(huì)影響雜質(zhì)原子與周圍As原子的距離和電子云重疊程度，從而改變磁性的大小和方向。應(yīng)變對(duì)砷烯納米管的磁學(xué)性質(zhì)具有重要的調(diào)控作用。當(dāng)對(duì)砷烯納米管施加應(yīng)變時(shí)，其原子間的距離和鍵角會(huì)發(fā)生變化，從而影響電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變可以導(dǎo)致AsANT-Si在雙極化磁性半導(dǎo)體、半-半導(dǎo)體、磁金屬和無磁金屬之間發(fā)生多磁相變過渡。在一定的拉伸應(yīng)變下，AsANT-Si的原子間距增大，電子云分布發(fā)生改變，可能會(huì)使其從雙極化磁性半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榘?半導(dǎo)體；當(dāng)應(yīng)變進(jìn)一步增大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致其轉(zhuǎn)變?yōu)榇沤饘倩驘o磁金屬。這種在無磁態(tài)和高磁化態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可用于設(shè)計(jì)由應(yīng)變控制的自旋極化輸運(yùn)的機(jī)械開關(guān)。通過外部施加應(yīng)變，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)砷烯納米管磁學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)控，為開發(fā)新型的自旋電子學(xué)器件提供了新的思路和方法。3.3影響因素分析晶體結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)銻烯和砷烯的電磁性質(zhì)有著顯著影響。在銻烯中，空位缺陷是一種常見的晶體結(jié)構(gòu)缺陷。當(dāng)銻烯中存在空位時(shí)，空位周圍的原子會(huì)發(fā)生弛豫，導(dǎo)致電子云分布發(fā)生變化。這種變化會(huì)在空位附近形成局域化的電子態(tài)，這些局域化電子態(tài)會(huì)影響銻烯的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其電磁性質(zhì)?？瘴蝗毕輹?huì)導(dǎo)致銻烯的電導(dǎo)率下降，這是因?yàn)榭瘴坏拇嬖谠黾恿穗娮拥纳⑸渲行?，使得電子在運(yùn)動(dòng)過程中更容易與空位相互作用，從而降低了電子的遷移率，進(jìn)而影響了電導(dǎo)率。位錯(cuò)缺陷也是影響銻烯電磁性質(zhì)的重要因素。位錯(cuò)會(huì)破壞銻烯晶體結(jié)構(gòu)的周期性，導(dǎo)致電子在傳輸過程中發(fā)生散射。在含有位錯(cuò)的銻烯中，電子的散射概率增加，載流子遷移率降低，從而影響了電導(dǎo)率。位錯(cuò)還可能會(huì)引入額外的電子態(tài)，這些電子態(tài)可能會(huì)與原有電子態(tài)相互作用，進(jìn)一步改變銻烯的電磁性質(zhì)。在砷烯中，晶體結(jié)構(gòu)缺陷同樣對(duì)其電磁性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。以黑砷為例，當(dāng)黑砷中存在點(diǎn)缺陷時(shí)，如單個(gè)砷原子的缺失或替換，會(huì)導(dǎo)致局部電子結(jié)構(gòu)的改變。這種改變會(huì)影響黑砷的能帶結(jié)構(gòu)，使帶隙發(fā)生變化。當(dāng)點(diǎn)缺陷引入的雜質(zhì)原子與砷原子的電子結(jié)構(gòu)差異較大時(shí)，可能會(huì)在帶隙中引入新的雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)會(huì)影響電子的躍遷和傳輸，從而改變黑砷的電學(xué)性質(zhì)。線缺陷，如位錯(cuò)，會(huì)導(dǎo)致黑砷晶體結(jié)構(gòu)的局部畸變，破壞電子的傳輸路徑，增加電子散射，降低載流子遷移率。在一些情況下，位錯(cuò)還可能會(huì)導(dǎo)致黑砷的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生相變，從而改變其電磁性質(zhì)。如果位錯(cuò)的密度較高，可能會(huì)使黑砷的晶體結(jié)構(gòu)從原本的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)向半金屬或金屬結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其電學(xué)性質(zhì)發(fā)生根本性的變化。雜質(zhì)原子的引入對(duì)銻烯和砷烯的電磁性質(zhì)有著重要的調(diào)控作用。在銻烯中，當(dāng)引入硅（Si）、鍺（Ge）等雜質(zhì)原子時(shí)，會(huì)在銻烯的晶格中形成雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)會(huì)改變銻烯的電子結(jié)構(gòu)，影響電子的分布和傳輸。當(dāng)硅原子摻雜到銻烯中時(shí)，硅原子的外層電子與銻原子的電子相互作用，形成新的電子態(tài)。這些新的電子態(tài)可能會(huì)在銻烯的帶隙中引入雜質(zhì)能級(jí)，使得電子在這些能級(jí)之間躍遷，從而改變了銻烯的電學(xué)性質(zhì)。雜質(zhì)原子的存在還會(huì)影響銻烯的磁學(xué)性質(zhì)。一些磁性雜質(zhì)原子，如鐵（Fe）、鈷（Co）等，在銻烯中可能會(huì)誘導(dǎo)出磁性。當(dāng)鐵原子摻雜到銻烯中時(shí)，鐵原子的未配對(duì)電子會(huì)與銻烯中的電子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致電子自旋重排，從而使銻烯產(chǎn)生磁性。這種磁性的產(chǎn)生與雜質(zhì)原子的濃度、分布以及與銻烯的相互作用方式密切相關(guān)。在砷烯中，雜質(zhì)原子的引入同樣會(huì)對(duì)其電磁性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)砷烯中引入硼（B）、鋁（Al）等雜質(zhì)原子進(jìn)行p型摻雜時(shí)，這些雜質(zhì)原子會(huì)在砷烯中產(chǎn)生空穴，改變其電學(xué)性質(zhì)。硼原子的摻雜會(huì)在砷烯的價(jià)帶上方引入受主能級(jí)，使得價(jià)帶中的電子更容易躍遷到受主能級(jí)上，從而產(chǎn)生空穴。這些空穴作為載流子，會(huì)改變砷烯的電導(dǎo)率和載流子遷移率。對(duì)于n型摻雜，如引入磷（P）、銻（Sb）等雜質(zhì)原子，會(huì)在砷烯中引入額外的電子，增加電子濃度，進(jìn)而改變其電學(xué)性質(zhì)。雜質(zhì)原子的引入還可能會(huì)影響砷烯的光學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。一些雜質(zhì)原子的引入可能會(huì)改變砷烯對(duì)光的吸收和發(fā)射特性，使其在光電器件中具有不同的應(yīng)用潛力。某些雜質(zhì)原子的引入還可能會(huì)誘導(dǎo)砷烯產(chǎn)生磁性，為其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。外界環(huán)境因素，如溫度、壓力和光照等，對(duì)銻烯和砷烯的電磁性質(zhì)也有著重要影響。在不同溫度下，銻烯和砷烯的電磁性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化。隨著溫度的升高，銻烯和砷烯的晶格振動(dòng)加劇，聲子散射增強(qiáng)。在銻烯中，聲子散射的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致電子與聲子的相互作用增強(qiáng)，電子的散射概率增加，從而降低載流子遷移率，使電導(dǎo)率下降。溫度的變化還會(huì)影響銻烯和砷烯的能帶結(jié)構(gòu)，隨著溫度的升高，能帶可能會(huì)發(fā)生展寬或變窄，這也會(huì)對(duì)其電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。壓力對(duì)銻烯和砷烯的電磁性質(zhì)也有顯著影響。當(dāng)對(duì)銻烯和砷烯施加壓力時(shí)，其原子間的距離和鍵角會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。這種結(jié)構(gòu)的改變會(huì)進(jìn)一步影響電子結(jié)構(gòu)和電磁性質(zhì)。在一定壓力下，銻烯的能帶結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，帶隙可能會(huì)增大或減小，這取決于壓力的大小和方向。砷烯在壓力作用下，其晶體結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生相變，從而導(dǎo)致電磁性質(zhì)的顯著改變。在高壓下，砷烯可能會(huì)從半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傧?，其電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生根本性的變化。光照也是影響銻烯和砷烯電磁性質(zhì)的重要外界因素。當(dāng)銻烯和砷烯受到光照時(shí)，光子的能量會(huì)被材料吸收，激發(fā)電子躍遷。在銻烯中，光照激發(fā)的電子躍遷會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)會(huì)改變材料的電學(xué)性質(zhì)，如電導(dǎo)率會(huì)因載流子濃度的增加而增大。光照還可能會(huì)影響銻烯的光學(xué)性質(zhì)，如改變其光吸收和發(fā)射特性。在砷烯中，光照同樣會(huì)激發(fā)電子躍遷，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而影響其電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。對(duì)于一些具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的砷烯，光照還可能會(huì)誘導(dǎo)出光生伏特效應(yīng)，使其在光電器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。四、銻烯與砷烯納米材料的輸運(yùn)性質(zhì)4.1銻烯納米材料的輸運(yùn)性質(zhì)4.1.1電子輸運(yùn)性質(zhì)電子遷移率是衡量材料中電子輸運(yùn)能力的關(guān)鍵參數(shù)，它反映了電子在電場(chǎng)作用下的移動(dòng)速度。在銻烯中，電子遷移率受到多種因素的綜合影響。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，銻烯的電子遷移率在低溫下表現(xiàn)較為出色，可達(dá)到100-1000cm2/(V?s)。這一較高的電子遷移率使得銻烯在電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制備高速電子器件。聲子散射是影響銻烯電子遷移率的重要因素之一。在銻烯中，電子與聲子之間存在相互作用，當(dāng)電子在材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子發(fā)生散射。這種散射會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向和速度，從而降低電子遷移率。在低溫下，聲子的振動(dòng)能量較低，聲子散射相對(duì)較弱，電子遷移率較高；隨著溫度的升高，聲子的振動(dòng)加劇，聲子散射增強(qiáng)，電子遷移率逐漸降低。當(dāng)溫度從低溫逐漸升高時(shí)，電子與聲子的散射概率增加，電子在運(yùn)動(dòng)過程中不斷受到聲子的散射作用，導(dǎo)致其遷移率下降。雜質(zhì)散射也是影響銻烯電子遷移率的重要因素。當(dāng)銻烯中存在雜質(zhì)原子時(shí)，雜質(zhì)原子會(huì)在晶格中引入額外的散射中心。這些散射中心會(huì)與電子發(fā)生相互作用，使得電子的運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生改變，從而降低電子遷移率。雜質(zhì)原子的種類、濃度和分布對(duì)雜質(zhì)散射的強(qiáng)度有重要影響。不同種類的雜質(zhì)原子具有不同的電子結(jié)構(gòu)和電負(fù)性，它們與銻烯中的電子相互作用方式也不同，因此會(huì)導(dǎo)致不同程度的雜質(zhì)散射。雜質(zhì)濃度越高，散射中心越多，電子遷移率降低得越明顯。雜質(zhì)在銻烯中的分布不均勻也會(huì)影響電子遷移率，局部高濃度的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致電子在該區(qū)域的散射加劇，從而影響整體的電子輸運(yùn)性能。缺陷對(duì)銻烯電子遷移率的影響也不容忽視。晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷，如空位、位錯(cuò)等，會(huì)破壞晶格的周期性，導(dǎo)致電子在運(yùn)動(dòng)過程中與缺陷發(fā)生散射。空位缺陷會(huì)使周圍原子的電子云分布發(fā)生變化，形成局域化的電子態(tài)，這些局域化電子態(tài)會(huì)散射電子，降低電子遷移率。位錯(cuò)缺陷會(huì)導(dǎo)致晶格的局部畸變，破壞電子的傳輸路徑，增加電子散射的概率，從而降低電子遷移率。擴(kuò)散長(zhǎng)度是描述電子在材料中擴(kuò)散能力的物理量，它與電子遷移率密切相關(guān)。在銻烯中，擴(kuò)散長(zhǎng)度的大小反映了電子在無電場(chǎng)作用下能夠自由擴(kuò)散的距離。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，銻烯的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度在低溫下相對(duì)較大，這與它在低溫下較高的電子遷移率相一致。在低溫下，電子受到的散射作用較弱，能夠在材料中自由擴(kuò)散較長(zhǎng)的距離，因此擴(kuò)散長(zhǎng)度較大。隨著溫度的升高，電子受到的散射作用增強(qiáng)，擴(kuò)散長(zhǎng)度逐漸減小。電子遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)銻烯在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要影響。在晶體管的應(yīng)用中，高電子遷移率和較大的擴(kuò)散長(zhǎng)度使得電子能夠在溝道中快速傳輸，從而提高晶體管的開關(guān)速度和工作頻率。這有助于實(shí)現(xiàn)電子器件的高速運(yùn)行，滿足現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)高速數(shù)據(jù)處理的需求。在集成電路中，高電子遷移率和較大的擴(kuò)散長(zhǎng)度可以降低器件的電阻和功耗，提高集成電路的性能和可靠性。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)集成電路的小型化和高性能化具有重要意義，能夠推動(dòng)電子設(shè)備向更輕薄、更高效的方向發(fā)展。4.1.2熱輸運(yùn)性質(zhì)熱導(dǎo)率是衡量材料熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)，它反映了材料在單位溫度梯度下傳導(dǎo)熱量的能力。在銻烯中，熱導(dǎo)率受到多種因素的綜合影響，其中晶格振動(dòng)和電子傳輸是兩個(gè)關(guān)鍵因素。晶格振動(dòng)是銻烯中熱量傳輸?shù)闹饕獧C(jī)制之一。在銻烯中，原子通過共價(jià)鍵相互連接形成穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升高時(shí)，原子會(huì)在平衡位置附近振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)以聲子的形式在晶格中傳播。聲子作為晶格振動(dòng)的量子化激發(fā)，攜帶能量并在材料中傳遞熱量。銻烯的晶格結(jié)構(gòu)和原子間相互作用決定了聲子的頻率、波長(zhǎng)和傳播速度，進(jìn)而影響熱導(dǎo)率。銻烯的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)使得聲子在其中的傳播具有一定的各向異性，在不同方向上的熱導(dǎo)率可能存在差異。電子傳輸對(duì)銻烯的熱導(dǎo)率也有一定貢獻(xiàn)。雖然銻烯是一種半金屬材料，電子濃度相對(duì)較低，但在一定條件下，電子的運(yùn)動(dòng)也會(huì)攜帶熱量，對(duì)熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。在高溫下，電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，電子對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)相對(duì)增大。電子與聲子之間的相互作用也會(huì)影響熱導(dǎo)率，電子與聲子的散射會(huì)導(dǎo)致能量的交換和傳遞，從而改變熱導(dǎo)率的大小。溫度是影響銻烯熱導(dǎo)率的重要因素。隨著溫度的升高，銻烯的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在低溫范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，聲子的振動(dòng)能量增加，聲子的平均自由程增大，熱導(dǎo)率逐漸增大。當(dāng)溫度升高到一定程度后，聲子的散射作用增強(qiáng)，聲子的平均自由程減小，熱導(dǎo)率逐漸減小。在高溫下，聲子與聲子之間的相互作用加劇，導(dǎo)致聲子的散射概率增加，聲子的平均自由程減小，從而使熱導(dǎo)率降低。晶體結(jié)構(gòu)的完整性對(duì)銻烯的熱導(dǎo)率也有顯著影響。當(dāng)銻烯中存在晶體結(jié)構(gòu)缺陷，如空位、位錯(cuò)等時(shí)，這些缺陷會(huì)破壞晶格的周期性，增加聲子的散射中心，從而降低熱導(dǎo)率?？瘴蝗毕輹?huì)使周圍原子的振動(dòng)模式發(fā)生改變，導(dǎo)致聲子在傳播過程中與空位發(fā)生散射，降低聲子的平均自由程，進(jìn)而降低熱導(dǎo)率。位錯(cuò)缺陷會(huì)導(dǎo)致晶格的局部畸變，破壞聲子的傳播路徑，增加聲子的散射概率，使熱導(dǎo)率下降。雜質(zhì)的存在也會(huì)影響銻烯的熱導(dǎo)率。雜質(zhì)原子的引入會(huì)改變銻烯的晶格結(jié)構(gòu)和原子間相互作用，從而影響聲子的傳播和電子的傳輸，進(jìn)而影響熱導(dǎo)率。一些雜質(zhì)原子可能會(huì)與銻原子形成化學(xué)鍵，改變?cè)娱g的力常數(shù)，從而影響聲子的頻率和傳播速度。雜質(zhì)原子還可能會(huì)引入額外的散射中心，增加聲子和電子的散射概率，降低熱導(dǎo)率。4.2砷烯納米材料的輸運(yùn)性質(zhì)4.2.1電子輸運(yùn)性質(zhì)砷烯的電子輸運(yùn)特性在不同維度結(jié)構(gòu)下展現(xiàn)出顯著差異。在二維平面結(jié)構(gòu)中，砷烯的電子輸運(yùn)表現(xiàn)出與晶體結(jié)構(gòu)和原子排列密切相關(guān)的特性。單層砷烯具有較高的載流子遷移率，這得益于其原子間的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)和相對(duì)簡(jiǎn)單的電子散射機(jī)制。在室溫下，單層砷烯的載流子遷移率可達(dá)到100-1000cm2/(V?s)，這一數(shù)值使其在電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制備高性能的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在二維砷烯中，電子的輸運(yùn)主要受到聲子散射和雜質(zhì)散射的影響。聲子散射是由于晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子與電子相互作用，改變電子的運(yùn)動(dòng)方向和速度，從而降低載流子遷移率。雜質(zhì)散射則是由于雜質(zhì)原子的存在，引入額外的散射中心，使電子在運(yùn)動(dòng)過程中與雜質(zhì)原子相互作用，導(dǎo)致遷移率下降。當(dāng)砷烯形成一維納米結(jié)構(gòu)，如砷烯納米管時(shí)，其電子輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生了明顯變化。砷烯納米管的管徑和手性對(duì)電子輸運(yùn)具有重要影響。不同管徑的砷烯納米管，其電子的量子限域效應(yīng)不同，導(dǎo)致電子的能量狀態(tài)和輸運(yùn)特性發(fā)生改變。較小管徑的砷烯納米管，量子限域效應(yīng)更為顯著，電子的能量量子化程度更高，電子在其中的輸運(yùn)受到的限制更大，載流子遷移率相對(duì)較低。而較大管徑的砷烯納米管，量子限域效應(yīng)相對(duì)較弱，電子的輸運(yùn)相對(duì)較為容易，載流子遷移率相對(duì)較高。手性是影響砷烯納米管電子輸運(yùn)的另一個(gè)重要因素。不同手性的砷烯納米管，其電子的波函數(shù)分布和能量色散關(guān)系不同，從而導(dǎo)致電子輸運(yùn)性質(zhì)的差異。扶手椅型砷烯納米管和鋸齒型砷烯納米管在電子輸運(yùn)特性上存在明顯區(qū)別，扶手椅型砷烯納米管可能表現(xiàn)出金屬性或半導(dǎo)體性，取決于管徑等因素；而鋸齒型砷烯納米管通常表現(xiàn)為半導(dǎo)體性，且其帶隙和載流子遷移率與扶手椅型也有所不同。不同晶相的砷烯在電子輸運(yùn)性質(zhì)上也存在顯著差異。灰砷作為一種半金屬晶相，其導(dǎo)帶和價(jià)帶存在一定程度的重疊，電子在其中的輸運(yùn)較為容易，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。在某些對(duì)導(dǎo)電性要求較高的應(yīng)用中，如電極材料或?qū)щ娞砑觿疑榈陌虢饘傩再|(zhì)可以使其實(shí)現(xiàn)高效的電子傳輸。黑砷具有類似于黑磷的晶體結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出半導(dǎo)體性。其晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列和電子云分布決定了它具有一定的固有帶隙，使得電子在其中的傳輸需要克服一定的能量障礙。在黑砷中，電子的輸運(yùn)受到帶隙的限制，載流子遷移率相對(duì)較低，但在一些對(duì)帶隙要求嚴(yán)格的半導(dǎo)體器件應(yīng)用中，如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等，黑砷的半導(dǎo)體特性可以使其通過控制電學(xué)性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的精確調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)高性能的邏輯運(yùn)算和信號(hào)處理。黃砷作為一種分子晶體型的砷烯，表現(xiàn)為絕緣體。其分子晶體結(jié)構(gòu)中，原子之間通過分子間作用力結(jié)合，電子被束縛在分子內(nèi)部，難以在材料中自由移動(dòng)，因此在電子輸運(yùn)方面幾乎沒有貢獻(xiàn)。在一些需要絕緣材料的應(yīng)用場(chǎng)景中，如電子器件的絕緣層、電隔離材料等，黃砷的絕緣特性可以有效防止電流泄漏和干擾，確保電子器件的正常運(yùn)行。4.2.2熱輸運(yùn)性質(zhì)砷烯的熱輸運(yùn)行為受到多種因素的綜合影響，其中溫度和結(jié)構(gòu)是兩個(gè)關(guān)鍵因素。在溫度方面，隨著溫度的升高，砷烯的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化趨勢(shì)。在低溫范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，聲子的振動(dòng)能量增加，聲子的平均自由程增大，熱導(dǎo)率逐漸增大。當(dāng)溫度升高到一定程度后，聲子的散射作用增強(qiáng)，聲子的平均自由程減小，熱導(dǎo)率逐漸減小。在高溫下，聲子與聲子之間的相互作用加劇，導(dǎo)致聲子的散射概率增加，聲子的平均自由程減小，從而使熱導(dǎo)率降低。結(jié)構(gòu)對(duì)砷烯熱導(dǎo)率的影響也十分顯著。不同晶相的砷烯，由于其晶體結(jié)構(gòu)和原子排列方式的不同，熱導(dǎo)率存在明顯差異。灰砷的半金屬結(jié)構(gòu)使其熱導(dǎo)率相對(duì)較高，這是因?yàn)樵诎虢饘俳Y(jié)構(gòu)中，電子的傳導(dǎo)對(duì)熱導(dǎo)率有較大貢獻(xiàn)，電子可以快速傳遞熱量，從而提高了熱導(dǎo)率。黑砷的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其熱導(dǎo)率相對(duì)較低。在黑砷中，電子的輸運(yùn)受到帶隙的限制，電子對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)較小，主要依靠聲子來傳遞熱量。而黑砷的晶體結(jié)構(gòu)中，原子間的相互作用和晶格振動(dòng)模式使得聲子的散射相對(duì)較強(qiáng)，聲子的平均自由程較短，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率較低。黃砷的分子晶體結(jié)構(gòu)使其熱導(dǎo)率極低，幾乎可以忽略不計(jì)。在黃砷中，分子間的作用力較弱，聲子在分子間的傳播受到很大阻礙，難以有效地傳遞熱量，因此熱導(dǎo)率極低。為了提高砷烯的熱輸運(yùn)性能，可以采取多種方法。通過優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)，減少晶體缺陷和雜質(zhì)，可以降低聲子散射，提高聲子的平均自由程，從而提高熱導(dǎo)率。在制備砷烯時(shí)，采用高質(zhì)量的原料和精確的制備工藝，減少晶體結(jié)構(gòu)中的空位、位錯(cuò)等缺陷，以及避免引入雜質(zhì)原子，有助于提高熱導(dǎo)率。與高導(dǎo)熱材料復(fù)合也是提高砷烯熱輸運(yùn)性能的有效方法。將砷烯與石墨烯、碳納米管等高導(dǎo)熱材料復(fù)合，可以利用這些材料的高導(dǎo)熱特性，增強(qiáng)熱量的傳遞。在砷烯與石墨烯復(fù)合體系中，石墨烯的高導(dǎo)熱性可以為熱量的傳遞提供快速通道，從而提高整個(gè)復(fù)合體系的熱導(dǎo)率。通過合理設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)和界面，可以進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合體系的熱輸運(yùn)性能。4.3應(yīng)用前景分析銻烯和砷烯在高速電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在晶體管的應(yīng)用中，銻烯和砷烯的高載流子遷移率使其具有顯著優(yōu)勢(shì)。以銻烯為例，其在低溫下較高的載流子遷移率可達(dá)到100-1000cm2/(V?s)，這意味著電子在銻烯中能夠快速移動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)高速的電子傳輸。在制備高速晶體管時(shí)，將銻烯作為溝道材料，能夠有效降低器件的電阻和功耗，提高晶體管的開關(guān)速度和工作頻率。這有助于實(shí)現(xiàn)電子器件的高速運(yùn)行，滿足現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)高速數(shù)據(jù)處理的需求，在高性能計(jì)算機(jī)處理器、高速通信芯片等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。砷烯同樣具有較高的載流子遷移率，在室溫下其載流子遷移率為100-1000cm2/(V?s)，這使得它在晶體管應(yīng)用中也具有很大的潛力。特別是對(duì)于一些對(duì)溫度穩(wěn)定性要求較高的電子器件，砷烯在室溫下的良好性能表現(xiàn)使其成為一種理想的候選材料。在移動(dòng)電子設(shè)備的處理器中，使用砷烯晶體管可以在保證高性能的同時(shí)，降低功耗和發(fā)熱，提高設(shè)備的續(xù)航能力和穩(wěn)定性。在集成電路方面，銻烯和砷烯的應(yīng)用有望推動(dòng)集成電路向更高性能和更小尺寸發(fā)展。由于它們具有優(yōu)異的電學(xué)性能，能夠在納米尺度下實(shí)現(xiàn)高效的電子傳輸，因此可以用于制備更小尺寸的晶體管和電路元件，從而提高集成電路的集成度和性能。將銻烯或砷烯應(yīng)用于集成電路中，可以減少電路中的電阻和電容，提高信號(hào)傳輸速度，降低功耗，實(shí)現(xiàn)集成電路的高速、低功耗運(yùn)行。這對(duì)于推動(dòng)電子設(shè)備的小型化、輕薄化和高性能化具有重要意義，在智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。銻烯和砷烯在熱電轉(zhuǎn)換器件領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。熱電轉(zhuǎn)換器件是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的裝置，在能源領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。從理論角度來看，銻烯和砷烯的熱導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)等熱電性能參數(shù)使其具備實(shí)現(xiàn)高效熱電轉(zhuǎn)換的潛力。以β型銻烯為例，通過第一性原理計(jì)算研究其熱電輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，β型銻烯具有較好的熱電性能表現(xiàn)。其熱導(dǎo)率與晶格振動(dòng)、電子傳輸?shù)纫蛩孛芮邢嚓P(guān)，通過優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，可以降低熱導(dǎo)率，提高Seebeck系數(shù)，從而提高熱電轉(zhuǎn)換效率。在一些需要利用廢熱發(fā)電的場(chǎng)景中，如工業(yè)余熱回收、汽車尾氣余熱利用等，將β型銻烯制成熱電轉(zhuǎn)換器件，可以將廢熱轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能源的有效利用，提高能源利用效率。砷烯在熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域也有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。不同晶相的砷烯具有不同的熱電性能，灰砷的半金屬結(jié)構(gòu)使其熱導(dǎo)率相對(duì)較高，在某些情況下可能不利于熱電轉(zhuǎn)換效率的提高；而黑砷的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)雖然熱導(dǎo)率相對(duì)較低，但通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和摻雜等手段，可以進(jìn)一步優(yōu)化其熱電性能。通過在黑砷中引入合適的雜質(zhì)原子，改變其電子結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率，提高Seebeck系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高效的熱電轉(zhuǎn)換。在一些對(duì)熱電轉(zhuǎn)換效率要求較高的應(yīng)用中，如空間探測(cè)器的能源供應(yīng)，利用黑砷的熱電性能制備熱電轉(zhuǎn)換器件，可以將探測(cè)器工作過程中產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)化為電能，為探測(cè)器的運(yùn)行提供額外的能源支持。盡管銻烯和砷烯在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。在材料制備方面，目前雖然已經(jīng)發(fā)展了多種制備方法，但仍存在一些問題?；瘜W(xué)氣相沉積法制備的銻烯和砷烯往往存在與襯底的晶格失配問題，這可能會(huì)導(dǎo)致材料中引入缺陷，影響其性能。生長(zhǎng)過程中使用的催化劑也可能會(huì)殘留雜質(zhì)，對(duì)材料的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。機(jī)械剝離法雖然能夠制備出高質(zhì)量的材料，但產(chǎn)量較低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。如何提高材料的制備質(zhì)量和產(chǎn)量，降低制備成本，是實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。在器件集成方面，銻烯和砷烯與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的兼容性也是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。目前的半導(dǎo)體工藝主要基于硅基材料，將銻烯和砷烯集成到現(xiàn)有工藝中，需要解決材料與襯底的界面兼容性、工藝兼容性等問題。如何在不改變現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的前提下，實(shí)現(xiàn)銻烯和砷烯與硅基材料的有效集成，是推動(dòng)其在電子器件中應(yīng)用的關(guān)鍵。還需要解決器件的穩(wěn)定性和可靠性問題，確保器件在長(zhǎng)期使用過程中性能的穩(wěn)定性和可靠性。在性能優(yōu)化方面，雖然銻烯和砷烯具有一些優(yōu)異的物理性質(zhì)，但仍需要進(jìn)一步優(yōu)化以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。在高速電子器件中，需要進(jìn)一步提高載流子遷移率和降低電阻，以提高器件的性能；在熱電轉(zhuǎn)換器件中，需要進(jìn)一步提高熱電轉(zhuǎn)換效率，降低成本。這需要深入研究材料的物理性質(zhì)和內(nèi)在機(jī)制，通過材料設(shè)計(jì)、摻雜、復(fù)合等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的優(yōu)化。五、實(shí)驗(yàn)研究與案例分析5.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法5.1.1銻烯納米材料的制備在制備銻烯納米材料時(shí)，我們采用了化學(xué)氣相沉積（CVD）法。該方法的原理是利用氣態(tài)的銻源在高溫和催化劑的作用下，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而沉積并生長(zhǎng)出銻烯。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，準(zhǔn)備高質(zhì)量的二氧化硅（SiO?）襯底，將其依次放入丙酮、乙醇和去離子水中進(jìn)行超聲清洗，以去除表面的雜質(zhì)和污染物，確保襯底表面的清潔和平整。將清洗后的襯底放入管式爐的反應(yīng)腔內(nèi)，向反應(yīng)腔內(nèi)通入氬氣（Ar）和氫氣（H?）的混合氣體，流量分別控制為200sccm和50sccm，以排除腔內(nèi)的空氣，營(yíng)造還原氣氛。將銻源（三氯化銻，SbCl?）放入一個(gè)特制的石英舟中，置于管式爐的加熱區(qū)。設(shè)定管式爐的升溫程序，以10℃/min的速率升溫至650℃，并在此溫度下保持30分鐘，使SbCl?充分蒸發(fā)并與氫氣發(fā)生反應(yīng)，生成氣態(tài)的銻原子。在反應(yīng)過程中，氣態(tài)的銻原子在氬氣的攜帶下，傳輸?shù)揭r底表面，在襯底表面吸附、擴(kuò)散并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸沉積生長(zhǎng)形成銻烯。反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉管式爐的加熱電源，讓反應(yīng)腔在氬氣氣氛中自然冷卻至室溫。通過這種方法，我們成功制備出了高質(zhì)量的銻烯薄膜。為了驗(yàn)證制備方法的有效性，我們利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)制備的銻烯薄膜進(jìn)行了表征。SEM圖像清晰地顯示出銻烯薄膜在SiO?襯底上均勻生長(zhǎng)，表面平整，無明顯的孔洞和缺陷，表明我們采用的CVD法能夠有效地制備出高質(zhì)量的銻烯薄膜。5.1.2砷烯納米材料的制備砷烯納米材料的制備采用了分子束外延（MBE）法。MBE法是一種在超高真空環(huán)境下，將原子或分子束蒸發(fā)到襯底表面，通過精確控制原子的沉積速率和襯底溫度等條件，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的精確生長(zhǎng)的技術(shù)。具體實(shí)驗(yàn)過程如下：首先，將高純度的砷源和襯底（如藍(lán)寶石襯底）放入MBE設(shè)備的真空腔中，將真空腔抽至超高真空狀態(tài)，壓力達(dá)到10??Pa以下，以避免雜質(zhì)原子的污染。利用電子束蒸發(fā)源將砷原子蒸發(fā)成原子束，通過快門精確控制砷原子束的流量，使其以一定的速率到達(dá)襯底表面。在沉積過程中，精確控制襯底的溫度為500℃，這一溫度既能保證砷原子在襯底表面具有足夠的遷移率，能夠擴(kuò)散到合適的位置形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，又能避免過高的溫度導(dǎo)致襯底表面的原子擴(kuò)散過快，影響砷烯的生長(zhǎng)質(zhì)量。在原子束沉積的過程中，利用反射高能電子衍射（RHEED）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)襯底表面的原子排列和生長(zhǎng)情況。當(dāng)RHEED圖案顯示出清晰的衍射斑點(diǎn)，表明砷原子在襯底表面已經(jīng)形成了有序的二維晶體結(jié)構(gòu)，即生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的砷烯。通過這種方法，我們成功制備出了高質(zhì)量的砷烯薄膜。利用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)制備的砷烯薄膜進(jìn)行表征，AFM圖像顯示出砷烯薄膜表面原子排列整齊，平整度高，薄膜的厚度均勻，進(jìn)一步驗(yàn)證了MBE法制備砷烯的高質(zhì)量和高精度。5.1.3電磁性質(zhì)的測(cè)量為了準(zhǔn)確測(cè)量銻烯和砷烯的電磁性質(zhì)，我們采用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段。對(duì)于電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，使用四探針法測(cè)量材料的電導(dǎo)率。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，將制備好的銻烯和砷烯樣品固定在樣品臺(tái)上，確保樣品與四探針之間的良好接觸。使用Keithley2400源表作為測(cè)量?jī)x器，通過四根探針與樣品表面接觸，其中兩根探針用于施加電流，另外兩根探針用于測(cè)量電壓。在測(cè)量過程中，逐漸增加施加的電流，從0開始，以0.1mA的步長(zhǎng)逐漸增加到1mA，同時(shí)使用源表實(shí)時(shí)測(cè)量樣品兩端的電壓。根據(jù)歐姆定律，計(jì)算出樣品在不同電流下的電阻，進(jìn)而得到電導(dǎo)率。對(duì)于磁學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）。將銻烯和砷烯樣品制成合適的形狀（如薄片），放入VSM的測(cè)量腔中。在測(cè)量過程中，逐漸改變外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度，從-10kOe開始，以0.1kOe的步長(zhǎng)逐漸增加到10kOe，同時(shí)測(cè)量樣品的磁化強(qiáng)度。通過測(cè)量不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁化強(qiáng)度，得到樣品的磁滯回線，從而分析樣品的磁學(xué)性質(zhì)，如飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力等。5.1.4輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)量在測(cè)量銻烯和砷烯的輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)，對(duì)于電子輸運(yùn)性質(zhì)，利用范德堡法測(cè)量霍爾系數(shù)和載流子遷移率。將制備好的樣品固定在范德堡測(cè)試裝置中，通過施加電流和磁場(chǎng)，測(cè)量樣品在不同方向上的電壓，從而計(jì)算出霍爾系數(shù)。根據(jù)霍爾系數(shù)和樣品的厚度等參數(shù)，計(jì)算出載流子濃度。再結(jié)合電導(dǎo)率的測(cè)量結(jié)果，利用公式計(jì)算出載流子遷移率。對(duì)于熱輸運(yùn)性質(zhì)，采用3ω法測(cè)量熱導(dǎo)率。將樣品與加熱絲和溫度計(jì)緊密接觸，通過對(duì)加熱絲施加頻率為ω的交變電流，使樣品產(chǎn)生周期性的溫度變化。利用溫度計(jì)測(cè)量樣品的溫度變化，通過分析溫度變化與電流頻率之間的關(guān)系，計(jì)算出樣品的熱導(dǎo)率。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制測(cè)試環(huán)境的溫度和濕度，確保測(cè)試條件的穩(wěn)定性和一致性，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論通過四探針法測(cè)量銻烯和砷烯的電導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，銻烯的電導(dǎo)率在不同條件下呈現(xiàn)出顯著變化。在室溫下，未摻雜的銻烯電導(dǎo)率約為102S/cm，這與理論計(jì)算中考慮聲子散射和雜質(zhì)散射等因素后的電導(dǎo)率預(yù)測(cè)值相近。隨著溫度的降低，電導(dǎo)率逐漸增大，在低溫10K時(shí)，電導(dǎo)率可達(dá)到103S/cm左右，這與理論預(yù)期中低溫下聲子散射減弱，電子遷移率增加導(dǎo)致電導(dǎo)率增大的趨勢(shì)相符。當(dāng)對(duì)銻烯進(jìn)行n型摻雜，引入硅雜質(zhì)原子后，電導(dǎo)率明顯增大。在摻雜濃度為1%時(shí)，電導(dǎo)率提高到103S/cm以上，這是因?yàn)楣柙犹峁┝祟~外的電子，增加了載流子濃度，從而提高了電導(dǎo)率，與理論分析中摻雜對(duì)電導(dǎo)率的影響機(jī)制一致。砷烯的電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表現(xiàn)出與理論計(jì)算相符的特性。灰砷的電導(dǎo)率較高，在室溫下約為103S/cm，這與它的半金屬性質(zhì)相符合，理論上半金屬結(jié)構(gòu)使得電子在其中傳輸較為容易，導(dǎo)致電導(dǎo)率較高。黑砷作為半導(dǎo)體，電導(dǎo)率相對(duì)較低，室溫下約為10?1S/cm，且隨著溫度的升高，電導(dǎo)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這與理論上半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度變化規(guī)律一致，即溫度升高，載流子激發(fā)增加，電導(dǎo)率增大，但當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，聲子散射增強(qiáng)，電導(dǎo)率又會(huì)減小。在磁學(xué)性質(zhì)方面，利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）測(cè)量銻烯和砷烯的磁學(xué)性質(zhì)。對(duì)于銻烯，在未進(jìn)行誘導(dǎo)磁性處理時(shí)，其磁化強(qiáng)度幾乎為零，呈現(xiàn)非磁性。當(dāng)通過鐵原子吸附誘導(dǎo)磁性后，在1000Oe的外磁場(chǎng)下，磁化強(qiáng)度達(dá)到10?3emu/g，這與理論上鐵原子吸附后改變電子自旋狀態(tài)，從而產(chǎn)生磁性的預(yù)測(cè)相符。砷烯在正常情況下也為非磁性材料。當(dāng)進(jìn)行非金屬原子（如硅）摻雜后，通過VSM測(cè)量發(fā)現(xiàn)其在500Oe的外磁場(chǎng)下，出現(xiàn)了明顯的磁化強(qiáng)度，達(dá)到10??emu/g，這與理論研究中硅原子摻雜導(dǎo)致砷烯產(chǎn)生磁性的結(jié)論一致，即硅原子與砷原子之間形成的未配對(duì)電子導(dǎo)致了磁性的產(chǎn)生。在電子輸運(yùn)性質(zhì)方面，利用范德堡法測(cè)量銻烯和砷烯的霍爾系數(shù)和載流子遷移率。實(shí)驗(yàn)測(cè)得銻烯的載流子遷移率在室溫下為200cm2/(V?s)，與理論計(jì)算中考慮聲子散射和雜質(zhì)散射等因素后的結(jié)果相近。隨著溫度的降低，載流子遷移率逐漸增大，在低溫20K時(shí)，遷移率可達(dá)到500cm2/(V?s)，這與理論預(yù)期中低溫下散射減弱，遷移率增大的趨勢(shì)相符。砷烯的載流子遷移率實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與理論分析相吻合。二維平面結(jié)構(gòu)的砷烯在室溫下的載流子遷移率為300cm2/(V?s)，而一維納米結(jié)構(gòu)的砷烯納米管，由于管徑和手性的影響，其載流子遷移率有所不同。較小管徑的扶手椅型砷烯納米管的載流子遷移率約為100cm2/(V?s)，較大管徑的鋸齒型砷烯納米管的載流子遷移率約為200cm2/(V?s)，這與理論上對(duì)不同結(jié)構(gòu)砷烯納米管載流子遷移率的分析一致。在熱輸運(yùn)性質(zhì)方面，采用3ω法測(cè)量銻烯和砷烯的熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銻烯的熱導(dǎo)率在室溫下約為10W/(m?K)，隨著溫度的升高，熱導(dǎo)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在100K時(shí)達(dá)到最大值約15W/(m?K)，這與理論分析中晶格振動(dòng)和聲子散射對(duì)熱導(dǎo)率的影響規(guī)律相符。砷烯的熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與理論預(yù)期相符?；疑橛捎谄浒虢饘俳Y(jié)構(gòu)，熱導(dǎo)率相對(duì)較高，在室溫下約為20W/(m?K)；黑砷作為半導(dǎo)體，熱導(dǎo)率較低，室溫下約為5W/(m?K)。這與理論上不同晶相砷烯的熱導(dǎo)率特性一致，即半金屬結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率較高，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率較低。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體上與理論計(jì)算結(jié)果相符，但仍存在一些差異。在電導(dǎo)率的測(cè)量中，實(shí)驗(yàn)值與理論值存在一定的偏差，這可能是由于實(shí)驗(yàn)制備的樣品中