Sumanene Monolayer of Pure Carbon: A Two‐Dimensional Kagome‐Analogy Lattice with Desirable Band Gap, Ultrahigh Carrier Mobility, and Strong Exciton Binding Energy

单层 激子 格子(音乐) 材料科学 结合能 紧密结合 化学物理 分子物理学 凝聚态物理 化学 电子结构 纳米技术 物理 原子物理学 声学
作者
Xiaoran Shi,Weiwei Gao,Hongsheng Liu,Zhen‐Guo Fu,Gang Zhang,Yong‐Wei Zhang,Tao Liu,Jijun Zhao,Junfeng Gao
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:18 (40) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/smll.202203274
摘要

Abstract The design and synthesis of novel two‐dimensional (2D) materials that possess robust structural stability and unusual physical properties may open up enormous opportunities for device and engineering applications. Herein, a 2D sumanene lattice that can be regarded as a derivative of the conventional Kagome lattice is proposed. The tight‐binding analysis demonstrates sumanene lattice contains two sets of Dirac cones and two sets of flat bands near the Fermi surface, distinctively different from the Kagome lattice. Using first‐principles calculations, two possible routines for the realization of stable 2D sumanene monolayers (named α phase and β phase) are theoretically suggested, and an α‐ sumanene monolayer can be experimentally synthesized with chemical vapor deposition using C 21 H 12 as a precursor. Small binding energies on Au(111) surface (e.g., −37.86 eV Å −2 for α phase) signify the possibility of their peel‐off after growing on the noble metal substrate. Importantly, the GW plus Bethe–Salpeter equation calculations demonstrate both monolayers have moderate band gaps (1.94 eV for α) and ultrahigh carrier mobilities (3.4 × 10 4 cm 2 V −1 s −1 for α). In particular, the α‐ sumanene monolayer possesses a strong exciton binding energy of 0.73 eV, suggesting potential applications in optics.
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