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。 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。

　　单层原子厚度的石墨烯的发现，标志着二维晶体作为一类可能影响人类未来电子技术 的材料问世。然而二维石墨烯的电子结构中不具备能隙，在电子学应用中不能实现电流的 “开”和“关”，这就弱化了其取代计算机电路中半导体开关的用途。科学家们开始探索替 换材料，希望克服石墨烯的缺陷，并提出了几种可能的替换材料，如单层硅、单层锗，但这 些材料在空气中都不稳定，不利于实际应用。进一步探索具有新型功能并可实际应用的二维 材料具有十分重要的意义和挑战性。

　　“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。

　　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。

　　实验显示，当二维黑磷材料厚度小于 7.5 纳米时，其在室温下可以得到可靠的晶体管性 能，其漏电流的调制幅度在 10 万量级，电流—电压特征曲线展现出良好的电流饱和效应。 晶体管的电荷载流子迁移率还呈现出对厚度的依赖性，当二维黑磷材料厚度在 10 纳米时， 获得蕞高的迁移率值大约 1000 平方厘米每伏每秒。这些性能表明，二维黑磷场效应晶体管 在纳米电子器件应用方面具有极大的潜力

　　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。”

　　名词解释 纳米电子器件：以纳米技术制造的电子器件，其性能大大优于传统的电子器件： . 工作速度 快，纳米电子器件的工作速度是硅器件的 1000 倍，因而可使产品性能大幅度提高。功耗低， 纳米电子器件的功耗仅为硅器件的 1/1000。信息存储量大，在一张不足巴掌大的 5 英寸光 盘上，至少可以存储 30 个北京图书馆的全部藏书。体积小、重量轻，可使各类电子产品体 积和重量大为减小。 二维晶体：这种晶体仅一个原子那么厚，这种晶体从本质上来讲更象上一种巨大的二维分子， 晶体性质稳定可以用来制造晶体管和传感器。 黑磷：黑色有金属光泽的晶体, 它是用白磷在很高压强和较高温度下转化而形成的。 在磷 的同素异形体中反应活性蕞弱的，它在空气中不会点燃。其使用价值不大。

　　©2022Baidu由百度智能云提供计算服务

产业招商/厂房土地租售：400 0123 021
或微信/手机：13524678515; 13524678515; 13524678515 
请说明您的需求、用途、税收、公司、联系人、手机号，以便快速帮您对接资源。 
长按/扫一扫加葛毅明的微信号

扫一扫关注公众号