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类石墨烯的二维纳米材料

 

自从发现石墨烯有着优异性能以来,二维的层状材料比如金属硫化物,过渡金属氧化物,以及其他的二维复合物再次引起了人们的兴趣。过渡金属二硫化物是由六方的金属原子夹在两层状硫族元素原子之间构成的。硫族元素和过渡金属的结合,形成了超过40种不同类型的过渡金属二硫化物。层状的过渡金属氧化物如MoO3,La2CuO4,绝缘的h-BN,拓扑绝缘体Bi2Te3,Sb2Se3,Bi2Se3,这些层状材料的共同特点是堆积的三维晶体结构。相邻的片层之间受范德瓦尔力的相互影响。这些材料横跨电子结构从绝缘体到金属的整个范围,表现出非常优异的性能,比如拓扑绝缘体效应、超导性、热电性等等。与此同时,第四主族的类石墨烯二维纳米微片也引起了高度关注。硅烯和锗烯,硅基或锗基的类石墨烯材料,已经在近几年的时间内,由理论预测到了实验观察阶段。

二维材料展示了独特的物理性质。这些性质也被他们所对应的块材所拥有,包括电荷密度波,拓扑绝缘体,二维电子气的物理,超导现象,自发磁化和各向异性的传输特性等。二维层状材料在电池,电致变色显示,化妆品,催化剂,和固体润滑剂等方面有着一系列广泛的应用。

同层的连续减薄到单层尺寸,层状块材的固有性质将被改变。随着该领域研究的不断壮大,许多单层材料具有的物理、电子独特及结构性能出现了。令人振奋的例子之一是发现在分层的大量过渡金属硫族化合物(MoS2,WS2, TISe2, Bi2Se3)接近单层厚度。这些材料,特别是展现高迁移率和维持一个带隙接近数层系统。一个特殊的例子是二硫化钼,有着200 cm2/(VS)的电子迁移率。二硫化钼也经历了间接的相位变化带来的直接带隙半导体与随行光致发光,作为一种可能的2D晶体管材料。其他金属硫族化合物,尤其是Bi2Se3,Sb2Te3和Bi2Te3,展现了热电和拓扑绝缘体性能,吸引了对于未来应用的兴趣。

其他独特的化学方法研制新型二维材料也出现了。通过三元碳化物,氮化物和碳氮化物与氟化氢(HF)提高了层状金属碳化物和氮化系统的性能。被称为MXenes的材料,如Ti3C2 , Ti2C ,Ta4C3和TI3(C0.5N0.5)2 ,已经形成。

石墨烯加氢带来了石墨烷。石墨烷是一个完全饱和烃的2D化学分子式为SP3杂化的CH,其带隙5.4 eV。石墨烷缺口保留灵活性,二维平面度,及多石墨烯的强度,但它的是绝缘体。石墨烷缺乏石墨烯的狄拉克锥。但是石墨烯和石墨烷缺乏直接带隙,从而使这些材料无法实现在光电方面的应用。

石墨烯的具体进展和石墨烷带动更大的对于半导体硅和锗的兴趣,硅烯和锗烯。两者的这些材料被预测为有混合sp2和sp3杂化,这导致褶皱在硅和锗原子保留了半导电特性的层状块材。硅烯已被证明通过蒸汽实验生长在银基板。它有有趣的物理和电子属性。硅烯展示高流动性,特征狄拉克锥,并打开一个带隙,且与所施加的电场成正比。然而硅烯需要一个支撑层如银,二硼化锆,或铱,所有这些材料都导电,从而消除了整体的硅烯的性能。

所有这些二维材料,特别是锗或硅为基础的二维材料其非零带隙,在提供技术显著的承诺领域,如稀释剂晶体管,太阳能电池,光电检测器的材料。这些材料是唯一能展示基础物理的行为的新组合,如光致发光,狄拉克锥和出色的传输特性。临近2D,物理的基本材料属性显示来自不同的这些层状材料。新并列薄的材料特性维提供多少承诺在技术无限阵列应用范围从热电,透明电极电池,超薄的太阳能电池,并高流动性电子跃迁装置,将新的光电器件。新兴的二维层状半导体石墨和石墨烷材料类似物,如硅烯,锗烯和硅烷提供很多令人兴奋的可用的未来电子材料。

近日,二维晶体材料家族再添新成员——黑磷。中国科学家最近成功制备出基于新型二维晶体黑磷的场效应晶体管器件,这是国际科学界继石墨烯(其发现者获2010年诺贝尔物理学奖)之后的又一重要进展,其在纳米电子器件应用方面具有极大潜力。该成果发表在最新一期国际学术期刊《自然•纳米科技》上。

场效应管是现代电子工业的基础型器件,其传统原材料是硅,但硅的制造工艺正逼近“天花板”。此后,单层原子厚度的石墨烯被发现,标志着二维晶体成为一类可能影响未来电子技术的新型材料,然而二维石墨烯的电子结构中不具备能隙,无法实现电流的“开”和“关”,弱化了其取代计算机半导体开关的前景。科学家们探索并提出了几种替换材料,如单层硅、单层锗,但这些材料都不稳定,不利于应用。近年来,科学家们努力寻找新型材料,希望进一步提高场效应管的性能。

针对上述挑战,中国科技大学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,成功制备出基于具有能隙的二维黑磷场效应晶体管。实验显示,这种材料厚度小于7.5纳米时,在室温下可得到可靠的晶体管性能,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。这些性能表明,其在纳米电子器件应用方面具有极大潜力。

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