辉锑矿（Sb?S?）从三维块体到一维单链的电子结构与输运性质理论研究

《Scientific Reports》：Carrier-selective dimensional crossover from bulk stibnite Sb2S3 to the single-chain limit

　　

摘要

由于量子限域效应，低维材料表现出与其块体对应物显著不同的物理性质。链状硫族化合物提供了预形成的结构基元，无需切割或钝化扩展的二维晶格即可探索一维 (1D) 电子行为。在本研究中，我们利用杂化密度泛函计算和半经典玻尔兹曼输运理论，跨越其结构层次表征了矿物辉锑矿 (Sb₂S₃)，从块体 (3D) 晶体到天然 (100) 解理层 (2D)，最终到无支撑单链极限。声子色散表明 2D 和 1D 模型均动态稳定，而能量分析量化了链间相互作用的逐步消除。2D 层保留了略微扩大的间接带隙，并表现出色散最强的链方向导带，使其在三种系统中具有最轻的电子有效质量。相比之下，完全的链隔离开辟了更宽的直接带隙，并产生了异常平坦、强非抛物线的价带边以及有限的全区色散。等载流子浓度下的输运计算揭示了载流子极性依赖的交叉行为：空穴输运从块体到层再到链演变较为规律，而电子支是非单调的，因为高度色散的 2D 导带结合了高电导率和弱的能量选择性。水吸附对隔离链的扰动较弱，而氧气则产生结构活化和带隙内杂化态。这些结果定义了 Sb₂S₃ 的本征单链参考，并阐明了部分和完全的链间解耦如何重组其前沿电子态。