最近几年，随着石墨烯的发现1, 2，二维材料领域逐渐引起了众多学者的关注和研究。在这之中，最为重要的发现莫过于二维原子层状材料，包括石墨烯、硅烯、锗烯和锡烯，这些材料的元素都是来自于第四主族。大家将关注度集中在二维材料的原因主要有三个。首先，内部电子限制在材料的二维平面内而不受层间的相互作用。其次，材料原子级别的厚度，为它们提供了力学上较好的柔性性能和光学上的通透性。第三，其较大的横向尺寸和超薄的厚度，使得它们具有较大的比表面积。通过对这些特殊的物理、化学性质的进一步研究，人们发现，例如石墨烯，未来它们具有在纳米电子器件和光电器件上应用的潜质3 4 5 6。然而，石墨烯致命的缺点是零带隙，严重减少了它们在晶体管中开关电流的能力，即使是通过表面功能化和外加电场以及应变等手段，也只能够获得极小的带隙。这样的问题，在硅烯和锗烯上同样存在。由于石墨烯、硅烯、锗烯和锡烯都不具有合适的带隙（带隙值很小，几乎为零）7 8 9，因而它们很难真正的代替半导体硅在电子领域上的地位。即使通过表面功能化或者外加应力、外加电场的方法，我们也只能打开一个很小的带隙，而这仍然难以满足电子器件应用的要求。
最近，几个典型的二维半导体，单层的二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨和少层的黑磷都被成功合成。二硫化钼是一系列过渡金属硫属化物中被研究最为广泛的一种材料，其原因是其具有较好的前景应用在电子器件，尤其是下一代纳米器件上。这类材料的超薄的厚度使得它们在电子结构上发生本质的变化，因此应用在新型光电器件上十分适合并且潜力无限。例如，与间接带隙的块体结构二硫化钼相比，单层二硫化钼是直接带隙半导体，因此具有更强的发光能力。但是，绝大多数已知的二维材料的带隙都小于2.0eV（单层二硫化钼就是一种直接带隙半导体，带隙值为1.90 eV），极大的制约了二维半导体在光电器件，尤其是响应光波段小于620nm的蓝光区和紫外光区的LED和光探测器的应用。
前不久，一系列新型二维半导体——第五主族层状材料的发展态势十分迅速，包括磷烯、砷烯、锑烯和铋烯10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22。通过第一性原理的预测，其中，二维单元素半导体锑烯（antimonene）18，有着较宽的带隙（2.28 eV）。此外，通过对电子性质和能带结构的计算与模拟，发现其电子有效质量小于二硫化钼，暗示着锑烯具有较高的载流子迁移率。有趣的是，尽管块体结构的锑是半金属特性，但是其单层结构却展现出间接带隙半导体的特性，带隙值达到2.28 eV。这些新型二维单元素半导体所具有的独特的物理特性以及在电子器件领域潜在的应用，激发起人们对它们的其他方面研究探索的兴趣，例如各向异性的传输特性、负的泊松比、优异的光学和热点性质以及外加应力或外加电场诱导拓扑特性等23 24 25 26 27 28 29 30 31。
因此，通过对第四主族（石墨烯、硅烯、锗烯和锡烯）和第五主族（磷烯、砷烯、锑烯和铋烯）二维半导体材料的整体研究，我们考虑能否设计出一种新型二维材料，它能够结合第四主族和第五主族二维半导体的优点，同时一定程度上克服它们各自的不足？通过查阅相关资料我们得知，GeP和GeAs这两种四五族化合物的块体材料是存在的32 33，并且具有单斜相。所以，鉴于锑材料具有优异的物理性质，我们考虑将锑材料和第四主族元素化合，形成一种新型化合物。
然而，通过计算预测，我们发现SbIV（IV=C，Si，Ge and Sn）化合物的热力学稳定性较差，很难稳定存在。因此，我们考虑一些能够克服其稳定性较差的方法——表面功能化。SbIV化合物具有较大的比表面积，一定程度上其表面能够较为容易的被原子、分子所吸附。除此以外，表面功能化例如氧化和氟化，同样也是十分重要的一种手段，来稳定化合物并且调控其力学以及物理、化学性质34 35 36 37 38。
本次课题，我们将基于密度泛函理论，预测一系列新型的二维材料：氢化（H）和卤化（F, Cl, Br, I）-SbIV （IV=C, Si, Ge, Sn）。我们将会首先预测这一系列材料的稳定性。接着，模拟预测并从各个方面讨论它们的电子性质以及能带结构，探究其可能的应用前景。最后，通过软件，模拟表征它们的一些性能，为将来可能的实验做好理论的铺垫和支持。
研究本次课题所采用的手段是基于第一性原理，使用CASTEP等软件完成相关模拟与计算。
1. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva and A. A. Firsov, Science, 2004, 306, 666.
2. K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov and A. K. Geim, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2005, 102, 10451-10453.
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