Ⅳ-Ⅵ族半导体材料因其交错排列的黑磷结构，具有高度可调的物理性质，受到了广泛关注和研究。近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）低维量子材料团队与香港科技大学合作，在二维单层SnSe材料的缺陷研究中取得新进展。研究明确揭示了二维单层SnSe材料中本征和非本征点缺陷的原子和电子结构，建立了利用扫描隧道显微镜的针尖操控缺陷的方法，实现了特定点缺陷操纵接近100%的成功率。2024年9月5日，相关研究成果以“Identification and manipulation of atomic defects in monolayer SnSe”为题发表在ACS Nano期刊上。

SnSe作为一种Ⅳ-Ⅵ族半导体，因其合适的带隙，在光电探测器、太阳能电池、光催化、超级电容器、气体传感器、忆阻器、热电材料和电池的阳极材料等方面具有广泛的应用。SnSe材料中的点缺陷会对其电子结构和化学势产生影响，从而显著的影响材料的热电性能，因此了解材料中点缺陷具有重要意义。目前，对SnSe中缺陷的局部态密度（LDOS）研究十分缺乏，尤其是对SnSe缺陷的动态研究，如不同类型缺陷之间的过渡、缺陷之间的受控转化等。

研究团队通过将低温扫描隧道显微镜（STM）与密度泛函理论（DFT）计算相结合，对分子束外延方法（MBE）生长的单层（两个原子层）SnSe薄膜中点缺陷的原子和电子结构进行了全面分析。确定了8种类型的本征缺陷，包括4种空位型和4种反位缺陷。其中，空位缺陷由单个Sn原子或垂直取向的SnSe分子的缺失形成。大多数空位缺陷表现出非中心对称外观，与单层SnSe中的平面极化一致。反位缺陷（即Se原子取代Sn原子）则表现出两种不同的原子结构，尽管它们的形貌外观相似，但它们在薄膜带隙内引入的额外电子态的能量显示出显著差异。引人注目的是，研究团队利用STM针尖操控技术将反位缺陷转化为Sn空位，并达到了接近100%的成功率。此外，还发现了3种非本征缺陷，包括Pb原子替代Sn原子和2种吸附物。

该研究明确揭示了SnSe薄膜中的点缺陷及其原子和电子结构，阐明了点缺陷对SnSe电子结构的影响，还建立了一种对点缺陷的定向操控方法。这项研究为超薄和块体SnSe的能带工程铺平了道路，为进一步设计基于SnSe材料的热电、光伏和新型非易失性逻辑器件打下基础。

针尖操纵反位缺陷（S₃）转化为Sn空位（V₁）的示意图。

该成果第一作者为量子院高级工程师岳城光，通讯作者为量子院常凯研究员、香港科技大学刘军伟副教授、量子院林海城副研究员。其他作者还包括香港科技大学博士生黄贞乔，量子院王文琳助理研究员和高子昂助理研究员。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技创新2030重大项目、北京市科委国际合作项目等支持。

原文链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04789