我國科學(xué)家成功制備二維黑磷場效應(yīng)晶體管

記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室陳仙輝教授課題組與復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授、封東來教授和吳驊教授課題組合作，在二維類石墨烯場效應(yīng)晶體管研究中取得重要進(jìn)展，成功制備出具有幾個納米厚度的二維黑磷場效應(yīng)晶體管。研究成果日前在線發(fā)表在《自然·納米科技》雜志上。

單層原子厚度的石墨烯的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著二維晶體作為一類可能影響人類未來電子技術(shù)的材料問世。然而二維石墨烯的電子結(jié)構(gòu)中不具備能隙，在電子學(xué)應(yīng)用中不能實現(xiàn)電流的“開”和“關(guān)”，這就弱化了其取代計算機(jī)電路中半導(dǎo)體開關(guān)的用途�？茖W(xué)家們開始探索替換材料，希望克服石墨烯的缺陷，并提出了幾種可能的替換材料，如單層硅、單層鍺，但這些材料在空氣中都不穩(wěn)定，不利于實際應(yīng)用。進(jìn)一步探索具有新型功能并可實際應(yīng)用的二維材料具有十分重要的意義和挑戰(zhàn)性。

他們成功制備出基于具有能隙的二維黑磷單晶的場效應(yīng)晶體管。與其他二維晶體材料相比，二維黑磷單晶材料更加穩(wěn)定，但其單晶在常壓下不容易生長。陳仙輝課題組博士生葉國俊利用學(xué)校購置的高溫高壓合成設(shè)備，在高溫高壓的極端條件下成功生長出高質(zhì)量的黑磷單晶材料，為實現(xiàn)二維黑磷單晶材料奠定了基礎(chǔ)。隨后，陳仙輝課題組與張遠(yuǎn)波課題組合作，利用膠帶進(jìn)行機(jī)械剝落的方法，從塊狀單晶中剝出薄片，附著到鍍有一層二氧化硅的硅晶片上，并在此基礎(chǔ)上制備出場效應(yīng)晶體管。

實驗顯示，當(dāng)二維黑磷材料厚度小于7.5納米時，其在室溫下可以得到可靠的晶體管性能，其漏電流的調(diào)制幅度在10萬量級，電流—電壓特征曲線展現(xiàn)出良好的電流飽和效應(yīng)。晶體管的電荷載流子遷移率還呈現(xiàn)出對厚度的依賴性，當(dāng)二維黑磷材料厚度在10納米時，獲得最高的遷移率值大約1000平方厘米每伏每秒。這些性能表明，二維黑磷場效應(yīng)晶體管在納米電子器件應(yīng)用方面具有極大的潛力。