新型二维半导体:黑磷,你有多行?

  物理

近年来,二维晶体材料因其优越的电气特性,成为半导体材料研究的新方向。继石墨烯、二硫化钼之后,本月初,在《自然·纳米技术》杂志上,复旦大学物理系张远波教授课题组发现了一种新型二维半导体材料——黑磷,并成功制备了相应的场效应晶体管器件,它将有可能替代传统的硅,成为电子线路的基本材料。

黑磷的原子结构图,褶皱蜂窝结构。图片来源:Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体,比如大名鼎鼎的石墨烯。但是石墨烯没有半导体带隙,即分隔电子导电能带(导带)和非导电能带(价带)之间的无人禁区,也就是说它难以完成导体和绝缘体之间的转换,不能实现数字电路的逻辑开与关。而同样由单原子层堆叠而成的黑磷,则具有一个半导体带隙。

“两年前中国科技大学的陈仙辉教授告诉我他们可以生长黑磷时,当时直觉就告诉我,这有可能是一个很好的半导体材料,”张远波教授说:“果然,现在我们把黑磷做成纳米厚度的二维晶体后,发现它有非常好的半导体性质,这样就有可能用在未来的集成电路里。”他们发现黑磷二维晶体有良好的电子迁移率(~1000cm2/Vs),还有非常高的漏电流调制率(是石墨烯的10000倍),与电子线路的传统材料硅类似。

黑磷二维晶体场效应管结构图。图片来源:Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

除了电性能优越以外,黑磷的光学性能同包括硅和硫化钼在内的其他材料相比也有巨大的优势。它的半导体带隙是直接带隙(如图),即电子导电能带(导带)底部和非导电能带(价带)顶部在同一位置,实现从非导到导电,电子只需要吸收能量(光能),而传统的硅或者硫化钼等都是间接带隙,不仅需要能量(能带变化),还要改变动量(位置变化)。这意味着黑磷和光可以直接耦合,这个特性让黑磷成为未来光电器件(例如光电传感器)的一个备选材料。可以检测整个可见光到近红外区域的光谱。

直接带隙(左)和间接带隙(右)能带分布图。图片来源:www.umn.edu

这些初步的研究结果,远没有达到黑磷性能的极限,还有极大的拓展空间。张远波教授表示,黑磷还只是一个刚刚被发现的材料,现在其前景作任何的推断都还太早。“这个材料的很多特性还有待发掘。我们实验室将继续探索这些特性,并且希望能在现在的基础上进一步提高样品的质量。”张远波教授说:“我们正在尝试的另外一件事是看看能不能把黑磷解离到单原子层。单原子层的黑磷会有什么不一样的性质?现在还没有人知道。”      

信息来源:Nature

文章题图:Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

 

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