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黑磷:比石墨烯更好的导体
发布:Kate0609   时间:2015/8/20 21:35:26   阅读:4305 
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图片来源:Institute for Basic Science

附属于彭亨科技大学(POSTECH)的韩国人造低维电子材料系统(CALDES)基础科学研究中心(IBS)的研究团队称,他们能够调控黑磷的能隙,并成功地将这一半导体材料转变为具有各向异性色散的特殊状态的物质。这一研究成果将为诸如太阳能电池、通信激光器等电子、光电子设备的设计和优化提供广阔的发展空间。

想要真正了解该团队成果的重要性,就要先了解二维(2-D)材料的本质。追溯至2010年,单层石墨统治了二维材料世界,其中碳原子以层分布,就像蜂巢,人们称之为石墨烯。石墨烯得以成为当时全球神奇材料的先驱,进行该研究工作的两位英国科学家为此还获得了诺贝尔物理学奖。

石墨烯十分纤薄,其属性引人注目。

石墨烯的强度比钢铁高,质量却仅为后者的几分之一,它的导电性比铜高,延展性比橡胶好。所有这些性质相结合,使之成为热和电的良导体。它的原子层毫无缺陷,防止一切原子、分子渗透进入。

石墨烯凭借以上优点,成为一种极度吸引人的材料。这一科学发现被应用到了实际生活的方方面面,如电子材料、航空材料、运动材料等。尽管集众优点于一身,石墨烯也有缺点——没有能隙。

探索特殊状态的敲门砖

能隙是决定一种材料导电性的重要因素。想象两条河流,其中一条布满垫脚石,另一条垫脚石的间距很大,那么第一条河更容易通过,原因是跨越间距小的垫脚石消耗的能量较小。能隙就类似于垫脚石之间的距离。间距越小,电流越容易通过,电流越大。

石墨烯在其自然状态下没有能隙,因此表现为导体。然而,即便在极度低温的环境下,石墨烯的传导性质仍无法改变,因此其半导体的性质无法实现。这就极大削弱了石墨烯作为半导体的应用,因为传导性可调控是半导体的基本功能之一。

革命的降临

磷是元素周期表中第15号元素,它的名字出现于一系列磷化物中。磷自身可视为化学物质的原型。黑磷是白磷的一种稳定状态,得名于其独特的颜色。黑磷是一种半导体,价格低廉,可投入大量生产。黑磷与石墨烯的明显差别在于它拥有自然能隙,可自由调节电流的通过或关闭。对此,科学家们在层状黑磷上进行了测试,层状黑磷又叫做磷烯,是磷的同素异形体。


在POSTECH工作的科学家Keun Su Kim对这个实验的细节进行了介绍:“我们将电子从掺杂钾传送至黑磷表面,由此限制电子,让我们得以操控其传导状态。我们需要钾产生强电场,从而调控能隙的大小。”

传送电子的过程称为掺杂,同时产生斯塔克谱线磁裂效应(the Stark effect),通过调控能隙,使元素化合价和导电带更为靠近,有效降低了能隙,从原来的0.35电子伏特(eV)降至0.0~0.6eV。


Kim教授说道:“石墨烯是一种狄拉克半导体,相较于黑磷,石墨烯在其自然状态下更为高效,然而它难以打开其能隙,因此,我们改变黑磷能隙来类比石墨烯的自然状态,这是一种有别于传统半导体的特殊状态。”

该韩国团队最期待的是改进后黑磷的应用前景。他们相信在不久以后,这项研究成果将被应用于包括工程学在内的方方面面:工程师通过调节能隙,设计出符合期待的精密仪器。

总之,二维革命已经来到,现在仅是刚刚起步。

参考文献:


1. Jimin Kim, Seung Su Baik, Sae Hee Ryu, Yeongsup Sohn, Soohyung Park, Byeong-Gyu Park, Jonathan Denlinger, Yeonjin Yi, Hyoung Joon Choi, Keun Su Kim. Observation of tunable band gap and anisotropic Dirac semimetal state in black phosphorus. Science, 14 August 2015 DOI: 10.1126/science.aaa6486


译自:sciencedaily
来源:材料与测试
译者:Kate0609
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