单斜相碲化镓（m-GaTe）由于其特殊的各向异性特性及优异的光学和电学性能具有广阔的应用前景，已用于高灵敏光电探测器、光电晶体管以及多级非易失性存储器等领域。然而，对于m-GaTe的各向异性起源的深入理解—尤其是针对m-GaTe纳米结构中复杂的构型与键合环境的解析—仍有待全面揭示。西安交通大学材料创新设计中心研究人员与牛津大学化学系Volker L. Deringer副教授合作开展了该方向的研究。

利用扫描透射电子显微镜，团队在原子尺度内对m-GaTe的结构进行了定量化的表征（图1a），并结合第一性原理计算，成功揭示了m-GaTe中面内各向异性的起源。已知碲化镓存在两种不同的晶体结构：稳态的单斜相结构（m-GaTe）和亚稳态的六方相结构（h-GaTe），两种构型中均存在大量的同极键（Ga−Ga键）。与h-GaTe相比，在m-GaTe中，扭曲的Ga−Ga同极键破坏了结构的旋转对称性，晶体结构沿长轴方向扩大了1.23 Å，而短轴方向上的变化极小0.05 Å。在m-GaTe晶体结构中，长轴方向上同时存在Ga−Ga和Ga−Te键，而在短轴方向上则仅存在Ga−Te键。因此，扭曲的Ga−Ga同极键是导致m-GaTe面内各向异性的主要原因。为进一步验证这一发现，该团队利用第一性原理计算，分析了Ga−Ga键和Ga−Te键的化学键性质。结果表明，m-GaTe中所有的Ga−Ga键和Ga−Te键均为共价键，然而，与Ga−Ga同极键相比，Ga−Te键的键强相对较弱。特别地，m-GaTe中扭曲的Ga−Ga键的相互作用最强。这表明扭曲的Ga−Ga同极键在稳定m-GaTe的Ga中心四面体结构方面起着至关重要的作用。

研究人员还通过高通量筛选，在Materials Project数据库中寻找具有类似局部结构的低对称性层状半导体，最终发现了其余四种具有类似扭曲四面体结构的半导体材料（图1b）。在这些材料中，同极键的强化作用显著提升了结构的稳定性，并诱发了结构的各向异性，这一结论对此类材料具有普适性。该研究不仅加深了对层状半导体材料结构各向异性的理解，还为寻找和合成更多具有优异性能的各向异性层状半导体材料提供了指导。

这项研究以“Homopolar Chemical Bonds Induce In-Plane Anisotropy in Layered Semiconductors”为题发表于Small Science，并被选入期刊封面。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室材料创新设计中心为本工作的第一作者单位与通讯作者单位。

论文链接：Homopolar Chemical Bonds Induce In‐Plane Anisotropy in Layered Semiconductors - Tan - 2024 - Small Science - Wiley Online Library

图1（a）m-GaTe的HAADF-STEM与EDS mapping图像（b）高通量筛选流程图