新加坡国立大学罗健平团队JACS：揭示二维碲薄膜缺陷演化规律，为二维碲器件性能调控提供新思路！

近年来，单元素二维材料因其“成分简单却性能独特”而受到广泛关注。继单元素铋体系中铁电性等新奇物性的发现之后，单元素二维碲薄膜作为一种具有手性Weyl半导体特征的材料，也正逐渐成为二维材料研究领域的重要对象。由于具有较高载流子迁移率、可通过栅压调控的Weyl半导体特性，以及显著的二次谐波非线性霍尔响应，二维碲材料在自旋电子学、能量收集与转换等方向展现出广阔的应用前景。

从结构上看，单元素二维碲具有十分独特的一维螺旋链构型：每个碲原子与链内两个相邻原子形成强共价键，构成连续的螺旋链，而链与链之间则通过较弱的范德华作用相互连接。已有研究表明，这类结构中的空位或未钝化的链边缘等缺陷，可能在带隙中引入受主态，从而导致材料呈现本征p型自掺杂行为。然而，针对金属-碲界面处缺陷结构的形成机制，以及碲薄膜随厚度变化所表现出的缺陷演化规律，目前仍缺乏系统认识。

针对这一问题，近日，新加坡国立大学罗健平团队借助原子尺度表征手段揭示了二维碲薄膜生长与缺陷演化机制。研究发现，Te₃三聚体是Te/Au(100)体系中构筑螺旋组装结构的基本单元。结合实验结果与理论计算，研究团队进一步证实，该体系中的本征缺陷主要表现为Te₃三聚体空位（V_trimer）及其倍数形式。更重要的是，扫描隧道谱及空间分辨dI/dV谱图清晰表明，这些Vtrimer缺陷会引入受主态，从而增强体系的空穴浓度，表现出明显的p型特征。随着薄膜厚度增加，衬底对碲层的影响逐渐减弱，Te₃三聚体进一步连接并形成连续、有序的螺旋链结构。与此同时，孤立的三聚体空位逐渐减少，取而代之的是表面延展的一维位错缺陷。这类一维位错缺陷同样具有受主特征，并进一步促进空穴积累。在此基础上，研究团队通过非晶Al₂O₃表面钝化实现了对二维碲薄膜电学性质的进一步调控。结果显示，这种表面修饰不仅可以补偿表面缺陷导致的p型行为，甚至能够诱导材料由p型向n型转变，展示出通过缺陷工程调控二维碲薄膜材料性能的巨大潜力。相关成果发表于Journal of the American Chemical Society。现就读于新加坡国立大学的王志勇博士和香港理工大学的唐才晟博士为论文共同第一作者。

总之，该研究系统揭示了二维碲薄膜在金属衬底上的链状组装、缺陷形成及厚度依赖演化规律，并进一步展示了缺陷调控在电子结构与器件性能优化中的关键作用。相关成果为理解二维碲的界面物理与缺陷化学提供了新的视角，也为未来高性能碲基电子器件和能量器件的设计奠定了基础。

图1. 单层 Te/Au(100) 的不对称电子结构。结合理论计算，这种不对称电子结构来自 Au-Te 界面电荷转移，从而导致 Te 5p 轨道的面外对称性破缺。

图2. Te₃ 三聚体是 Te 链生长的“乐高积木”。通过切换偏压，同一个局部突起在负偏压下像“单原子”，在正偏压下又分成“双原子”特征。据此，表面真正的基本单元不是单个 Te 原子，而是带有不对称电子分布的 Te₃ 三聚体，它们进一步拼装成螺旋链。

图3. 单层 Te 里的本征缺陷。由于基底诱导的电荷极化，Te₁-Te₂ 和 Te₁-Te₃ 键被削弱，所以单层更容易形成三聚体空位（V_trimer）。不同缺陷 D1、D2、D3、D4 分别对应三聚体空位的不同倍数。

图4. 三聚体空位缺陷的电子态性质。dI/dV结果表明，空位位置在费米能级以上出现明显增强的局域态密度。两个主要峰 P1和 P2分别主要来自不同缺失 Te 位点的悬挂键。

图5. 三聚体空位缺陷同时存在于双层Te中。

图6. 随着厚度增加，基底影响减弱，在单层/双层里的电子极化基本消失，出现更接近块体Te的螺旋链结构，孤立的三聚体空位缺陷几乎没有；到 5-6 层 时，主导缺陷变成 一维位错缺陷，表现出空穴掺杂效应。

图7. 二维碲薄膜随着厚度变化的缺陷演化。

图8. 表面缺陷会使碲器件呈现p型自掺杂，而通过无定形 Al₂O₃ 进行表面掺杂，可进一步实现载流子类型的有效调控，成功诱导 n 型转变。

文章信息：          

From Trimers to Chains: Growth and Defect Dynamics in Anisotropic Tellurium Films. J. Am. Chem. Soc. 2026.

DOI: 10.1021/jacs.6c01496

https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1021/jacs.6c01496