最新研究揭示二維材料的高度可調諧性!

2021-01-12 環球創新智慧

導讀

最近，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科研團隊準確地測量出二維半導體材料二硫化鉬（MoS2）的帶隙，同時也揭示出一種強大的調諧機制，以及二維材料電子和光學特性之間的關係。

關鍵字

二維材料、傳感器、半導體

背景

二維材料已成為科學界的一個非常有前景的前沿領域。這種材料非常輕薄，而且具有優異的電氣和光學特性。典型的二維材料有石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等等。各國科學家們都蜂擁至這個新興領域，想辦法發掘出二維材料的卓越特性。

時下，二維材料廣泛應用於各個科技領域，例如半導體、柔性電子、可穿戴技術、太陽能、物聯網、智能硬體、印刷電子、通信等等，筆者也曾在多篇文章中介紹過。但由於其基本結構本身就非常小，所以很難進行製造和測量，以及和其它材料相匹配。所以，隨著二維材料的研發力度不斷加大，如何更好地分離、提高和操控它們的最佳特性，科學界仍然還有許多未知的領域，等待進一步的探索。

創新

最近，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科研團隊（還包括卡夫裡能源納米科學研究所、加州大學伯克利分校、亞利桑那州立大學的研究人員）準確地測量出二維半導體材料二硫化鉬（MoS2）先前模糊不清的特性：帶隙。同時，團隊也揭示出一種強大的調諧機制，及其電子和光學特性之間的關係。

（圖片來源：Marilyn Chung/Berkeley Lab）

為了將這種單層材料更好地集成到電子器件中，工程師們想要搞清楚「帶隙」。簡單說，帶隙是使電子遠離與它們耦合的原子所需要的最低能量。然後，電子就可以在材料中自由移動，形成電流流過導線。吸收光線可以為電子提供足夠能量，例如，將材料轉化為導電狀態。

（圖片來源：Marilyn Chung/Berkeley Lab）

8月25日，研究人員在《物理評論快報》期刊上發表了一篇論文，描述了他們測量出單層二硫化鉬的帶隙，這在理論上非常難以精準預測。他們發現測量值比基於以往實驗的期望值要高30%。它們也量化了帶隙是如何隨著電子密度發生變化的，這種現象也稱為「帶隙重正化」。

論文的領導作者、加州大學伯克利分校和伯克利實驗室的研究生 Kaiyuan Yao 稱：

「這項工作最關鍵的意義在於找到了帶隙。它為所有的光電器件工程師提供了非常重要的指導。他們想要指導帶隙是什麼，從而將二維材料與其它材料以及器件中的組件恰當地連接。」

技術

獲取直接帶隙的測量結果是非常具有挑戰性的。因為，二維材料中存在所謂的「激子效應」，這種效應是由於電子與「空穴」之間的強烈配對而產生。這些空穴是在原子周圍本來電子所存在的地方留下的空位。該效應的強度可以屏蔽帶隙的測量。

伯克利實驗室分子鑄造廠的項目科學家、研究的參與者 Nicholas Borys 稱，這項研究也解決了如何調諧二維材料中光學和電子特性的問題。Borys 表示：

「我們的技術真正的強大之處在於分清光學和電子特性之間的差別，這成為了物理學界重要的基石。」

分子鑄造廠是一個向科學界開放，且專門進行納米材料創造和探索的設施。團隊使用了分子鑄造廠中的幾種工具，幫助開展這項研究。

（圖片來源：Berkeley Lab）

研究人員研究單層二硫化鉬所用到的分子鑄造技術，也稱為「光致發光激發」（PLE）光譜學。研究人員稱，它為我們身邊的材料帶來了新型應用，例如超靈敏的生物傳感器和更小的電晶體，同樣也表明在其他二維材料中，可以進行類似的精準定位和操作。

（圖片來源：Marilyn Chung/Berkeley Lab）

研究團隊測量了激子和帶隙信號，然後梳理了這些單獨的信號。科學家通過改變施加於位於單層二硫化鉬層下方的帶電矽層的電壓，調整了樣本中的電子密度，從而觀察在二硫化鉬樣本中，光線是如何被電子吸收的。

（圖片來源：Berkeley Lab）

研究人員在測量過程中注意到一種輕微的「碰撞」，他們意識到這是帶隙的直接測量，並且通過許多其他的實驗，研究如何出通過改變材料中的電子密度，簡單地調諧帶隙。

價值

在這項研究期間，分子鑄造廠納米結構成像和操作部門的主任 James Schuck 說：

「這種巨大的調諧度真正地打開了人們的眼界。」

現任哥倫比亞大學的教授 Schuck 稱：

「因為我們同時可以看到帶隙的邊緣和激子，所以我們能夠分別地理解它們，以及理解它們之間的關係。結果是所有這些特性之間都相互依賴。」

Schuck 也提到，二硫化鉬是「極度敏感於其局部環境」，這一點讓它成為一些列傳感器的候選材料。因為它對於光學和電子效應高度敏感，它可以將光線轉化為電信號，反之亦然。

Schuck 稱，團隊希望使用分子鑄造廠中的一些列技術手段，創造其它類型的單層材料和堆疊式多層二維樣本，以及最終測量它們的帶隙。他說：

「目前，還沒人知道其它一些材料的帶隙。」

團隊也具備使用納米探針的專業技能，能夠映射給定樣本的電子特性。

Borys 補充說：

「我們當然希望，這項搞研究能為未來其它二維半導體系統的研究奠定基礎。」

參考資料

【1】http://newscenter.lbl.gov/2017/08/25/new-results-reveal-high-tunability-2-d-material/

【2】http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.087401

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