我校物理系张远波教授课题组发现新型二维晶体材料
发布时间: 2014-03-26 浏览次数: 741
 

  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。

何为黑磷场效应晶体管?

  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。

  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”。

面向未来的二维黑磷材料

  黑磷的半导体能隙是个直接能隙,这个特性让它的光学和光电性能同其他材料,包括硅和硫化钼相比有巨大的优势。黑磷的直接能隙将增强黑磷和光的直接耦合,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。另外,张远波课题组发现黑磷二维晶体有非常高的样品质量(电子迁移率~1000cm2/Vs)。这样的高样品质量也对黑磷将来的可能应用有巨大的帮助。

  此次的研究成果是我校张远波教授实验室、中国科技大学陈仙辉教授的实验室、我校封东来教授实验室以及吴骅教授课题组通力合作完成。张远波教授于2011年入选“青年千人计划”,自2012年起带领其课题组开展黑磷材料研究。

  对二维黑磷材料的前景,张远波教授表示,如果黑磷将来有应用前景的话,电学和光电器件是最有可能的。但是对这样一个刚刚被发现的材料来说,现在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。”