中國科大合作制備出二維黑磷場效應晶體管

　　近日，中國科學技術大學教授陳仙輝課題組在二維類石墨烯場效應晶體管研究中取得進展。研究組與復旦大學教授張遠波、封東來和吳驊課題組通力合作，成功制備出具有幾個納米厚度的二維黑磷場效應晶體管。該研究成果于3月2日在線發表在《自然·納米科技》雜志上。

　　單層原子厚度的石墨烯的發現標志著二維晶體作為一類可能影響人類未來電子技術的材料已經出現在世人面前。然而二維石墨烯的電子結構中不具備能隙，從而在電子學應用中不能實現電流的“開”和“關”，這就弱化了其取代計算機電路中半導體開關的用途。科學家們開始探索替換材料，希望可以克服石墨烯的缺陷，并提出了幾種可能的替換材料，如silicene(單層硅)、germanene(單層鍺)，但是這些材料在空氣中都不穩定，不利于實際應用。進一步探索和表征具有新型功能且可實際應用的二維材料具有非常大的價值和挑戰性。

　　針對上述挑戰，陳仙輝課題組與張遠波課題組合作，成功制備出基于具有能隙的二維黑磷單晶(phosphorene)的場效應晶體管。相對于其它的二維晶體材料，二維黑磷單晶材料更加穩定，但是其單晶在常壓下不容易生長。該課題組博士生葉國俊在高溫高壓的極端條件下成功生長出高質量的黑磷單晶材料，為實現二維黑磷單晶材料鋪平了道路。隨后，他們利用膠帶進行機械剝落的方法從塊狀單晶中剝出薄片到具有一層熱生長的二氧化硅的的退化摻雜的硅晶片上，并在此基礎上制備出場效應晶體管。當二維黑磷材料厚度小于7.5nm時，其在室溫下可以得到可靠的晶體管性能，其漏電流調制幅度在105量級上，I-V特征曲線展現出良好的電流飽和效應。晶體管的電荷載流子遷移率還呈現出厚度依賴性，當二維黑磷材料厚度在10nm時，獲得了最高的遷移率值~1,000cm2 V-1 s-1。這些性能表明，二維黑磷場效應晶體管具有極高的應用潛力。另外，基于二維黑磷材料的晶體管同時還具有紅外范圍的直接帶隙，這使得黑磷成為將來納米電子和光電應用中的一個候選者。

　　相關工作得到國際學術界廣泛關注，《自然》雜志發表了評論文章，對包括該工作在內的兩篇二維黑磷場效應晶體管工作進行了亮點介紹。

　　上述研究工作得到國家自然科學基金委、科技部重大研究計劃和中國科學院先導項目的資助。

中國科大合作制備出二維黑磷場效應晶體管