新型二维半导体:黑磷,你有多行?

2019-05-02 10:11 来源:未知

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。

11664858.com,新闻中心讯 近日,复旦大学物理系张远波教授课题组的李力恺、於逸骏与合作者们成功制备了基于新型二维晶体黑磷的场效应晶体管器件。相关学术论文《Black Phosphorus Field-effect Transistors》(《黑磷场效应晶体管》)在《自然•纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表(DOI: 10.1038/nnano.2014.35)。张远波课题组发现的黑磷这一新型二维半导体材料是继石墨烯、二硫化钼之后的又一重要的进展,为二维晶体材料家族增添了一位新成员。

11664858.com 1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.

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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。

何为黑磷场效应晶体管?

“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。

场效应管(FET)是一种电压控制型晶体管,有输入阻抗高、集成度高的优点,基于场效应管的电子器件是现代电子工业的基础。传统场效应管的材料是半导体硅,在电子电路中有广泛的应用。近年来科学家们在努力寻找新型的材料,希望在硅的基础上进一步提高场效应管的性能,拓展它的功能。二维晶体是由单原子层堆叠而成的晶体,是科学家要寻找的新型材料的一个重要方向。曾引起科学界极大关注的石墨烯就是二维晶体的一种。但石墨烯没有半导体能隙(在能隙存在能量区间电子无法自由传导,在能隙中材料从导体变成绝缘体,从而实现半导体的逻辑开关),基于石墨烯的场效应管也就无法打开跟关闭,这样就失去了场效应管的一个基本功能。

11664858.com 3黑磷二维晶体场效应管结构图。图片来源:Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

黑磷,以及之前硫化钼的出现改变了这个局面。黑磷是磷的一种同素异形体,是由单层的磷原子堆叠而成的二维晶体。与石墨烯最大的不同是,黑磷有一个半导体能隙。“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”。

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。

面向未来的二维黑磷材料

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