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登上芯片技术之巅——中国科学家制成新型纳米晶体管  

2014-03-13 17:04:00|  分类: 科技前沿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中科大与复旦共同进行的二维石墨烯场效应晶体管研究取得突破,首次成功制备出只有几个纳米厚度的二维黑磷场效应晶体管。这对于未来制造运算能力更高、体积更小、耗能更低的计算机具有极大价值。这是国际纳米技术领域继石墨烯之后又一重要进展。据报道,2012年中国建成世界上第一条石墨烯生产线,在纳米材料领域占据了领先位置。

中国科学技术大学教授陈仙辉课题组在二维类石墨烯场效应晶体管研究中取得进展。研究组与复旦大学教授张远波、封东来和吴骅课题组通力合作,成功制备出具有几个纳米厚度的二维黑磷场效应晶体管。该研究成果于3月2日在线发表在《自然?纳米科技》杂志上。

 

                                             黑磷场效应晶体管示意图(图片来源:中科大网站)

 

何为黑磷场效应晶体管?

场效应管(FET)是一种电压控制型晶体管,有输入阻抗高、集成度高的优点,基于场效应管的电子器件是现代电子工业的基础。传统场效应管的材料是半导体硅,在电子电路中有广泛的应用。近年来科学家们在努力寻找新型的材料,希望在硅的基础上进一步提高场效应管的性能,拓展它的功能。二维晶体是由单原子层堆叠而成的晶体,是科学家要寻找的新型材料的一个重要方向。曾引起科学界极大关注的石墨烯就是二维晶体的一种。但石墨烯没有半导体能隙(在能隙存在能量区间电子无法自由传导,在能隙中材料从导体变成绝缘体,从而实现半导体的逻辑开关),基于石墨烯的场效应管也就无法打开跟关闭,这样就失去了场效应管的一个基本功能。

黑磷,以及之前硫化钼的出现改变了这个局面。黑磷是磷的一种同素异形体,是由单层的磷原子堆叠而成的二维晶体。与石墨烯最大的不同是,黑磷有一个半导体能隙。“两年前中国科技大学的陈仙辉教授告诉我他们可以生长黑磷时,当时直觉就告诉我,这有可能是一个很好的半导体材料,” 张远波教授说,“果然,现在我们把黑磷做成纳米厚度的二维晶体后,发现它有非常好的半导体性质,这样就有可能用在未来的集成电路里”。

 

   美国IBM公司生产的碳纳米材料集成电路,据称可大幅提高运算速度和减小计算机体积和功耗

 

面向未来的二维黑磷材料

黑磷的半导体能隙是个直接能隙,这个特性让它的光学和光电性能同其他材料,包括硅和硫化钼相比有巨大的优势。黑磷的直接能隙将增强黑磷和光的直接耦合,让黑磷成为未来光电器件(例如光电传感器)的一个备选材料。另外,张远波课题组发现黑磷二维晶体有非常高的样品质量(电子迁移率~1000cm2/Vs)。这样的高样品质量也对黑磷将来的可能应用有巨大的帮助。

此次的研究成果是复旦张远波教授实验室、中国科技大学陈仙辉教授的实验室、复旦封东来教授实验室以及吴骅教授课题组通力合作完成。张远波教授于2011年入选“青年千人计划”,自2012年起带领其课题组开展黑磷材料研究。

对二维黑磷材料的前景,张远波教授表示,如果黑磷将来有应用前景的话,电学和光电器件是最有可能的。但是对这样一个刚刚被发现的材料来说,现在任何的推断都还太早。“这个材料的很多特性还有待发掘。我们实验室将继续探索这些特性,并且希望能在现在的基础上进一步提高样品的质量。”张远波教授说,“我们正在尝试的另外一件事是看看能不能把黑磷解离到单原子层。单原子层的黑磷会有什么不一样的性质?现在还没有人知道。”

上述研究工作得到国家自然科学基金委、科技部重大研究计划和中国科学院先导项目的资助。

据报道,目前世界上有不少其他机构和企业也在从事碳纳米管集成电路相关研究,但尚未取得中科大这一研究项目类似的成果。

扩展阅读:

黑磷

黑磷是一种有金属光泽的晶体,它是用白磷在很高压强(12000大气压)和较高温度下转化而形成的,目前实用价值不大。

 

 

黑磷结构

目前知道的黑磷有四种:斜方、菱形、立方和无定形。无定形的黑磷在125°C时开始向红磷转变。

黑磷具有像石墨的片状结构和导电性,黑磷晶体有一些本质特征:如晶体内不仅有共价键,还有离子键和范德华力,是磷最不活跃的同素异形体。

 

 

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