黑磷,有什麼過人之處?

2021-02-25 EDN電子技術設計

新材料一直是科研的重點,這些二維晶體材料因其優越的電氣特性,成為半導體材料研究的新方向。繼石墨烯、二硫化鉬之後,復旦大學物理系張遠波教授課題組發現了一種新型二維半導體材料——黑磷,並成功製備了相應的場效應電晶體器件,它將有可能替代傳統的矽,成為電子線路的基本材料。


黑磷的原子結構圖,褶皺蜂窩結構。圖片來源:Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

二維晶體是由幾層單原子層堆疊而成的納米厚度的平面晶體,比如大名鼎鼎的石墨烯。但是石墨烯沒有半導體帶隙,即分隔電子導電能帶(導帶)和非導電能帶(價帶)之間的無人禁區,也就是說它難以完成導體和絕緣體之間的轉換,不能實現數字電路的邏輯開與關。而同樣由單原子層堆疊而成的黑磷,則具有一個半導體帶隙。

研究人員把黑磷做成納米厚度的二維晶體後,發現它有非常好的半導體性質,這樣就有可能用在未來的集成電路裡。黑磷二維晶體有良好的電子遷移率,還有非常高的漏電流調製率,是石墨烯的10000倍,與電子線路的傳統材料矽類似。

除了電性能優越以外,黑磷的光學性能同包括矽和硫化鉬在內的其他材料相比也有巨大的優勢。它的半導體帶隙是直接帶隙,即電子導電能帶底部和非導電能帶頂部在同一位置,實現從非導到導電,電子只需要吸收能量,而傳統的矽或者硫化鉬等都是間接帶隙,不僅需要能量,還要改變動量。這意味著黑磷和光可以直接耦合,這個特性讓黑磷成為未來光電器件的一個備選材料。可以檢測整個可見光到近紅外區域的光譜。

這些初步的研究結果,遠沒有達到黑磷性能的極限,還有極大的拓展空間。黑磷還只是一個剛剛被發現的材料,現在其前景作任何的推斷都還太早。這個材料的很多特性還有待發掘。實驗室將繼續探索這些特性,並且希望能在現在的基礎上進一步提高樣品的質量。

本文來源於:(科普中國、果殼網)

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