中國粉體網(wǎng)3月5日訊  近日，復(fù)旦大學(xué)物理系張遠(yuǎn)波教授課題組的李力愷、於逸駿與合作者們成功制備了基于新型二維晶體黑磷的場效應(yīng)晶體管器件。相關(guān)學(xué)術(shù)論文《Black Phosphorus Field-effect Transistors》（《黑磷場效應(yīng)晶體管》）在《自然•納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上發(fā)表(DOI: 10.1038/nnano.2014.35)。張遠(yuǎn)波課題組發(fā)現(xiàn)的黑磷這一新型二維半導(dǎo)體材料是繼石墨烯、二硫化鉬之后的又一重要的進(jìn)展，為二維晶體材料家族增添了一位新成員。  

何為黑磷場效應(yīng)晶體管？

場效應(yīng)管（FET）是一種電壓控制型晶體管,有輸入阻抗高、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，基于場效應(yīng)管的電子器件是現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)場效應(yīng)管的材料是半導(dǎo)體硅，在電子電路中有廣泛的應(yīng)用。近年來科學(xué)家們在努力尋找新型的材料，希望在硅的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高場效應(yīng)管的性能，拓展它的功能。二維晶體是由單原子層堆疊而成的晶體，是科學(xué)家要尋找的新型材料的一個(gè)重要方向。曾引起科學(xué)界極大關(guān)注的石墨烯就是二維晶體的一種。但石墨烯沒有半導(dǎo)體能隙（在能隙存在能量區(qū)間電子無法自由傳導(dǎo)，在能隙中材料從導(dǎo)體變成絕緣體，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的邏輯開關(guān)），基于石墨烯的場效應(yīng)管也就無法打開跟關(guān)閉，這樣就失去了場效應(yīng)管的一個(gè)基本功能。

黑磷，以及之前硫化鉬的出現(xiàn)改變了這個(gè)局面。黑磷是磷的一種同素異形體，是由單層的磷原子堆疊而成的二維晶體。與石墨烯最大的不同是，黑磷有一個(gè)半導(dǎo)體能隙。“兩年前中國科技大學(xué)的陳仙輝教授告訴我他們可以生長黑磷時(shí)，當(dāng)時(shí)直覺就告訴我，這有可能是一個(gè)很好的半導(dǎo)體材料，” 張遠(yuǎn)波教授說，“果然，現(xiàn)在我們把黑磷做成納米厚度的二維晶體后，發(fā)現(xiàn)它有非常好的半導(dǎo)體性質(zhì)，這樣就有可能用在未來的集成電路里”。

面向未來的二維黑磷材料

黑磷的半導(dǎo)體能隙是個(gè)直接能隙,這個(gè)特性讓它的光學(xué)和光電性能同其他材料，包括硅和硫化鉬相比有巨大的優(yōu)勢。黑磷的直接能隙將增強(qiáng)黑磷和光的直接耦合，讓黑磷成為未來光電器件（例如光電傳感器）的一個(gè)備選材料。另外，張遠(yuǎn)波課題組發(fā)現(xiàn)黑磷二維晶體有非常高的樣品質(zhì)量（電子遷移率~1000cm2/Vs）。這樣的高樣品質(zhì)量也對黑磷將來的可能應(yīng)用有巨大的幫助。

此次的研究成果是我校張遠(yuǎn)波教授實(shí)驗(yàn)室、中國科技大學(xué)陳仙輝教授的實(shí)驗(yàn)室、我校封東來教授實(shí)驗(yàn)室以及吳驊教授課題組通力合作完成。張遠(yuǎn)波教授于2011年入選“青年****”，自2012年起帶領(lǐng)其課題組開展黑磷材料研究。

對二維黑磷材料的前景，張遠(yuǎn)波教授表示，如果黑磷將來有應(yīng)用前景的話，電學(xué)和光電器件是最有可能的。但是對這樣一個(gè)剛剛被發(fā)現(xiàn)的材料來說，現(xiàn)在任何的推斷都還太早�！斑@個(gè)材料的很多特性還有待發(fā)掘。我們實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)探索這些特性，并且希望能在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高樣品的質(zhì)量�！睆堖h(yuǎn)波教授說，“我們正在嘗試的另外一件事是看看能不能把黑磷解離到單原子層。單原子層的黑磷會有什么不一樣的性質(zhì)？現(xiàn)在還沒有人知道�！�