随着半导体集成电路的发展，传统硅基晶体管性能正在逐步接近其物理极限，特别是当微电子工业走到8 nm 技术节点时，可能不得不放弃继续使用硅材料作为晶体管核心材料。新型二维半导体材料的发展为后硅时代电子器件的发展提供了可能。C3N新近合成的二维材料，具有类石墨烯蜂窝状无孔有序结构。该材料不仅具有与碳纳米管和石墨烯相媲美的电学、光学、热学和力学性能，同时还具有与硅材料接近的半导体带隙。

        近日，袁清红研究员与中科院微系统信息与技术研究所的实验团队合作，运用物理模型、第一性原理计算和实验表征相结合的方法，对双层C3N的电子性质及其调控进行了系统的研究。理论研究发现通过控制双层C3N结构的堆垛方式，可以实现大范围能带宽度调控。并揭示了双层结构带隙变化的本质原因是两层C3N之间pz轨道的强耦合导致的费米能级附近的能带劈裂大小可以用价带顶和导带底波函数的重叠数目进行定量计算。其中AA和AA‘排列的双层C3N的能带劈裂值分别是AB和AB’排列的双层结构的两倍。基于理论预测结果，实验研究团队成功制备出了AA‘及AB’堆垛的双层C3N，利用扫描隧道谱等实验表征方法证实了上述理论预测，并发现不同堆垛结构的双层C3N的电子性质呈现显著差异。研究还发现施加外部电场可以有效地调控双层C3N的带隙。理论结果表明，在1.4 V nm-1的外加电场下，AB'堆垛的双层C3N的带隙可减少0.6 eV，基本实现从半导体到金属性的转变。实验合作团队通过测量不同双门电栅下C3N的电阻以及吸收光谱，得出了与理论预测一致的结论。        

        该研究揭示了新型碳基二维半导体材料C3N具有大范围可调带隙、高载流子迁移率，高开关比等性质，为双层C3N在电子、光电器件领域的应用奠定了基础，同时也为下一代电子、光电器件材料的研究和应用提供了新思路。相关研究结果发表在 Nat. Electron. 4, 486 (2021).

图1. 双层C3N的热力学稳定性和电子性质的预测及表征结果图。