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類石墨烯的二維納米材料

 

自從發現石墨烯有着優異性能以來,二維的層狀材料比如金屬硫化物,過渡金屬氧化物,以及其他的二維複合物再次引起了人們的興趣。過渡金屬二硫化物是由六方的金屬原子夾在兩層狀硫族元素原子之間構成的。硫族元素和過渡金屬的結合,形成了超過40種不同類型的過渡金屬二硫化物。層狀的過渡金屬氧化物如MoO3,La2CuO4,絕緣的h-BN,拓撲絕緣體Bi2Te3,Sb2Se3,Bi2Se3,這些層狀材料的共同特點是堆積的三維晶體結構。相鄰的片層之間受範德瓦爾力的相互影響。這些材料橫跨電子結構從絕緣體到金屬的整個範圍,表現出非常優異的性能,比如拓撲絕緣體效應、超導性、熱電性等等。與此同時,第四主族的類石墨烯二維納米微片也引起了高度關注。矽烯和鍺烯,矽基或鍺基的類石墨烯材料,已經在近幾年的時間内,由理論預測到了實驗觀察階段。

二維材料展示了獨特的物理性質。這些性質也被他們所對應的塊材所擁有,包括電荷密度波,拓撲絕緣體,二維電子氣的物理,超導現象,自發磁化和各向異性的傳輸特性等。二維層狀材料在電池,電緻變色顯示,化妝品,催化劑,和固體潤滑劑等方面有着一系列廣泛的應用。

同層的連續減薄到單層尺寸,層狀塊材的固有性質将被改變。随着該領域研究的不斷壯大,許多單層材料具有的物理、電子獨特及結構性能出現了。令人振奮的例子之一是發現在分層的大量過渡金屬硫族化合物(MoS2,WS2, TISe2, Bi2Se3)接近單層厚度。這些材料,特别是展現高遷移率和維持一個帶隙接近數層系統。一個特殊的例子是二硫化钼,有着200 cm2/(VS)的電子遷移率。二硫化钼也經曆了間接的相位變化帶來的直接帶隙半導體與随行光緻發光,作為一種可能的2D晶體管材料。其他金屬硫族化合物,尤其是Bi2Se3,Sb2Te3和Bi2Te3,展現了熱電和拓撲絕緣體性能,吸引了對于未來應用的興趣。

其他獨特的化學方法研制新型二維材料也出現了。通過三元碳化物,氮化物和碳氮化物與氟化氫(HF)提高了層狀金屬碳化物和氮化系統的性能。被稱為MXenes的材料,如Ti3C2 , Ti2C ,Ta4C3和TI3(C0.5N0.5)2 ,已經形成。

石墨烯加氫帶來了石墨烷。石墨烷是一個完全飽和烴的2D化學分子式為SP3雜化的CH,其帶隙5.4 eV。石墨烷缺口保留靈活性,二維平面度,及多石墨烯的強度,但它的是絕緣體。石墨烷缺乏石墨烯的狄拉克錐。但是石墨烯和石墨烷缺乏直接帶隙,從而使這些材料無法實現在光電方面的應用。

石墨烯的具體進展和石墨烷帶動更大的對于半導體矽和鍺的興趣,矽烯和鍺烯。兩者的這些材料被預測為有混合sp2和sp3雜化,這導緻褶皺在矽和鍺原子保留了半導電特性的層狀塊材。矽烯已被證明通過蒸汽實驗生長在銀基闆。它有有趣的物理和電子屬性。矽烯展示高流動性,特征狄拉克錐,并打開一個帶隙,且與所施加的電場成正比。然而矽烯需要一個支撐層如銀,二硼化锆,或銥,所有這些材料都導電,從而消除了整體的矽烯的性能。

所有這些二維材料,特别是鍺或矽為基礎的二維材料其非零帶隙,在提供技術顯著的承諾領域,如稀釋劑晶體管,太陽能電池,光電檢測器的材料。這些材料是唯一能展示基礎物理的行為的新組合,如光緻發光,狄拉克錐和出色的傳輸特性。臨近2D,物理的基本材料屬性顯示來自不同的這些層狀材料。新并列薄的材料特性維提供多少承諾在技術無限陣列應用範圍從熱電,透明電極電池,超薄的太陽能電池,并高流動性電子躍遷裝置,将新的光電器件。新興的二維層狀半導體石墨和石墨烷材料類似物,如矽烯,鍺烯和矽烷提供很多令人興奮的可用的未來電子材料。

近日,二維晶體材料家族再添新成員——黑磷。中國科學家最近成功制備出基于新型二維晶體黑磷的場效應晶體管器件,這是國際科學界繼石墨烯(其發現者獲2010年諾貝爾物理學獎)之後的又一重要進展,其在納米電子器件應用方面具有極大潛力。該成果發表在最新一期國際學術期刊《自然•納米科技》上。

場效應管是現代電子工業的基礎型器件,其傳統原材料是矽,但矽的制造工藝正逼近“天花闆”。此後,單層原子厚度的石墨烯被發現,标志着二維晶體成為一類可能影響未來電子技術的新型材料,然而二維石墨烯的電子結構中不具備能隙,無法實現電流的“開”和“關”,弱化了其取代計算機半導體開關的前景。科學家們探索并提出了幾種替換材料,如單層矽、單層鍺,但這些材料都不穩定,不利于應用。近年來,科學家們努力尋找新型材料,希望進一步提高場效應管的性能。

針對上述挑戰,中國科技大學陳仙輝教授課題組與複旦大學張遠波教授、封東來教授和吳骅教授課題組合作,成功制備出基于具有能隙的二維黑磷場效應晶體管。實驗顯示,這種材料厚度小于7.5納米時,在室溫下可得到可靠的晶體管性能,漏電流的調制幅度在10萬量級,電流-電壓特征曲線展現出良好的電流飽和效應。這些性能表明,其在納米電子器件應用方面具有極大潛力。

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