近日，河南大学未来技术学院(光伏材料省重点实验室)张伟风教授团队理论与实验合作，在新型单层二维手性量子材料的生长方面取得重要进展，成果以“Realization of large-area ultraflat chiral blue phosphorene”为题在综合领域国际权威期刊《Nature Communications》[Nat. Commun.15, 1157 (2024)]发表。 河南大学青年教师宋业恒与中国科学技术大学博士后M. U. Muzaffar为论文的共同第一作者，河南大学张伟风教授、新加坡国立大学王学森教授和中国科学技术大学张振宇教授为共同通讯作者。

图1 在Cu(111)衬底上外延生长的超平坦手性蓝磷烯

蓝磷烯（BlueP）是一种理论预言的具有屈曲蜂窝晶格的单层磷同素异形体，由于具有宽的带隙和优异的电学性质而受到关注。密度泛函理论计算研究表明，在拉伸应力下，屈曲的BlueP可以转变为像石墨烯那样超平坦的蜂窝晶格，并在费米能级附近出现线性色散的能带，成为一个新的狄拉克费米子系统。手性材料打破了镜像对称性，对入射的左手或右手偏振光可表现出不同的响应，在光电子、自旋（谷）电子学和手性催化中具有潜在应用前景。手性石墨烯已经在扭曲的双层石墨烯系统中实现，并表现出强的圆二色性。因此，在BlueP中实现手性可以进一步丰富其物理和化学性质，拓展其潜在应用。由于缺乏对应块体材料，BlueP只能通过自下而上的方法获得。最近的一项理论工作表明，BlueP可以通过半层半层生长机制在GaN(001)上合成，几个实验小组利用分子束外延技术在Au(111)、Ag(111)、Cu(111)和氧化铜衬底上也生长了纳米尺寸BlueP。然而，仍未有理论和实验上关于大面积超平坦手性BlueP生长的工作报道。

图2 超平坦手性BlueP表面上应变场的分布

该研究团队在Cu(111)上生长了高质量大面积手性BlueP单层膜，其横向尺寸仅受晶圆尺寸大小限制。更重要的是，他们发现BlueP具有超平坦蜂窝晶格特征，而不是已被认知的屈曲结构。此外，由于衬底作用导致的旋转堆叠和界面应变释放效应，形成了高度有序的手性超结构，并得到了几何相位分析的进一步证实。扫描隧道谱显示了其本征的金属性和镜像势态中的不同特征量子振荡。他们还实现了超平坦BlueP的手性和非手性相之间的可逆转变，揭示了磷烯结构在Cu(111)上的独特生长模式。此研究工作将推动蓝磷烯在未来信息光学、自旋电子学和手性催化等方面的应用。

研究工作得到了国家自然科学基金等支持。

论文链接：Song, YH., Muzaffar, M.U., Wang, Q. et al. Realization of large-area ultraflat chiral blue phosphorene. Nat. Commun., 2024, 15, 1157. https://doi.org/10.1038/s41467-024-45263-6.