Small Methods: 面向器件应用的基于二维黑磷异质结研究的最新进展

随着二维材料家族的快速扩展, 设计拥有独特物理特性的二维异质结材料及相关的纳米器件成为新的研究热点。与传统块体材料不同,二维异质结通过范德华力构建无表面悬挂键层状结构,不需要考虑不同材料的晶格失配。同时,优异的机械性能和柔韧性也为可穿戴设备的开发提供了新思路。到目前为止,基于包括石墨烯,过渡金属二硫族化合物,氮化硼等二维材料的异质结已经可以通过机械剥离,化学气相沉积等方法制备,并展示一系列高性能概念验证的器件,包括场效应晶体管,光电探测器和存储器件等。

近期,黑磷作为一种新型的二维层状半导体材料吸引了研究人员的广泛关注。与其他二维材料相比,黑磷烯具有优秀的电学性能,随层数变化的直接带隙以及独特的面内各向异性。尽管二维黑磷的研究开始不久,相关的器件开发,包括晶体管,电池,探测器,热电器件等都已取得了显著的成果。同时,基于二维黑磷与其他二维材料或者超薄传统氧化物的异质结研究也吸引了极大的关注,为二维半导体的科学研究和新型微纳器件的开发提供了一个很好的平台。

香港理工大学郝建华教授及其科研团队总结了近年来面向器件应用的基于二维黑磷异质结研究的最新研究进展。该综述文章重点讨论了黑磷烯与其他材料体系,包括半金属,半导体和绝缘体的异质结的合成与器件表征。具体来说,作者首先系统论述了黑磷-石墨烯异质结在电子器件及能源存储方面的应用。除了保护黑磷烯不受周围环境的影响,石墨烯优异的电学性能极大的提升了载流子迁移率和电化学稳定性。其次,基于黑磷P型半导体的特性,作者详细归纳了黑磷与其他N型二维半导体形成的P-N结和多层异质结应用在包括光电晶体三极管,逻辑整流器,逻辑光电子器件,二氧化氮(NO2)探测器,结场效应晶体管,双极型晶体管,浮栅场效应晶体管,负差分电阻器件等应用上,对相关的器件性能均有提升或补充。另外,基于黑磷和二维绝缘体的异质结,包括氮化硼和超薄二氧化硅等在量子震荡和可切换的光学器件方面的应用也有详细的总结与分析。最后,基于对当前该领域研究工作的总结,作者展望了今后二维黑磷异质结器件存在的机遇挑战与研究趋势,如二维黑磷的大面积生长,相关器件的机理以及其他尚未涉及的器件的探索等,这将进一步推动二维黑磷异质结器件的设计优化与拓展。

相关文章发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700296,Recent Progress in Black-Phosphorus Based Heterostructures for Device Applications) 上。本文第一作者为香港理工大学杨志斌博士,通讯作者为香港理工大学郝建华教授。

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