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黑磷:比石墨烯更好的導體
發布:Kate0609   時間:2015/8/20 21:35:26   閱讀:7743 
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圖片來源:Institute for Basic Science

附屬于彭亨科技大學(POSTECH)的韓國人造低維電子材料系統(CALDES)基礎科學研究中心(IBS)的研究團隊稱,他們能夠調控黑磷的能隙,并成功地將這一半導體材料轉變為具有各向異性色散的特殊狀態的物質。這一研究成果將為諸如太陽能電池、通信激光器等電子、光電子設備的設計和優化提供廣闊的發展空間。

想要真正了解該團隊成果的重要性,就要先了解二維(2-D)材料的本質。追溯至2010年,單層石墨統治了二維材料世界,其中碳原子以層分布,就像蜂巢,人們稱之為石墨烯。石墨烯得以成為當時全球神奇材料的先驅,進行該研究工作的兩位英國科學家為此還獲得了諾貝爾物理學獎。

石墨烯十分纖薄,其屬性引人注目。

石墨烯的強度比鋼鐵高,質量卻僅為后者的幾分之一,它的導電性比銅高,延展性比橡膠好。所有這些性質相結合,使之成為熱和電的良導體。它的原子層毫無缺陷,防止一切原子、分子滲透進入。

石墨烯憑借以上優點,成為一種極度吸引人的材料。這一科學發現被應用到了實際生活的方方面面,如電子材料、航空材料、運動材料等。盡管集眾優點于一身,石墨烯也有缺點——沒有能隙。

探索特殊狀態的敲門磚

能隙是決定一種材料導電性的重要因素。想象兩條河流,其中一條布滿墊腳石,另一條墊腳石的間距很大,那么第一條河更容易通過,原因是跨越間距小的墊腳石消耗的能量較小。能隙就類似于墊腳石之間的距離。間距越小,電流越容易通過,電流越大。

石墨烯在其自然狀態下沒有能隙,因此表現為導體。然而,即便在極度低溫的環境下,石墨烯的傳導性質仍無法改變,因此其半導體的性質無法實現。這就極大削弱了石墨烯作為半導體的應用,因為傳導性可調控是半導體的基本功能之一。

革命的降臨

磷是元素周期表中第15號元素,它的名字出現于一系列磷化物中。磷自身可視為化學物質的原型。黑磷是白磷的一種穩定狀態,得名于其獨特的顏色。黑磷是一種半導體,價格低廉,可投入大量生產。黑磷與石墨烯的明顯差別在于它擁有自然能隙,可自由調節電流的通過或關閉。對此,科學家們在層狀黑磷上進行了測試,層狀黑磷又叫做磷烯,是磷的同素異形體。


在POSTECH工作的科學家Keun Su Kim對這個實驗的細節進行了介紹:“我們將電子從摻雜鉀傳送至黑磷表面,由此限制電子,讓我們得以操控其傳導狀態。我們需要鉀產生強電場,從而調控能隙的大小。”

傳送電子的過程稱為摻雜,同時產生斯塔克譜線磁裂效應(the Stark effect),通過調控能隙,使元素化合價和導電帶更為靠近,有效降低了能隙,從原來的0.35電子伏特(eV)降至0.0~0.6eV。


Kim教授說道:“石墨烯是一種狄拉克半導體,相較于黑磷,石墨烯在其自然狀態下更為高效,然而它難以打開其能隙,因此,我們改變黑磷能隙來類比石墨烯的自然狀態,這是一種有別于傳統半導體的特殊狀態。”

該韓國團隊最期待的是改進后黑磷的應用前景。他們相信在不久以后,這項研究成果將被應用于包括工程學在內的方方面面:工程師通過調節能隙,設計出符合期待的精密儀器。

總之,二維革命已經來到,現在僅是剛剛起步。

參考文獻:


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


譯自:sciencedaily
來源:材料與測試
譯者:Kate0609
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