我科学家成功制备二维黑磷场效应晶体管应用潜力极大

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中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室陈仙辉教授课题组与复旦大学张远波教授、封东来教授和吴骅教授课题组合作，在二维类石墨烯场效应晶体管研究中取得重要进展，成功制备出具有几个纳米厚度的二维黑磷场效应晶体管。研究成果日前在线发表在《自然·纳米科技》杂志上。
        
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。
        
他们成功制备出基于具有能隙的二维黑磷单晶的场效应晶体管。与其他二维晶体材料相比，二维黑磷单晶材料更加稳定，但其单晶在常压下不容易生长。陈仙辉课题组博士生叶国俊利用学校购置的高温高压合成设备，在高温高压的极端条件下成功生长出高质量的黑磷单晶材料，为实现二维黑磷单晶材料奠定了基础。随后，陈仙辉课题组与张远波课题组合作，利用胶带进行机械剥落的方法，从块状单晶中剥出薄片，附着到镀有一层二氧化硅的硅晶片上，并在此基础上制备出场效应晶体管。
        
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，获得最高的迁移率值大约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。