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超越石墨烯:二硫化鉬和黑磷成材料學家新寵

2015-05-20 10:19 成都愛法納米技術有限公司 www.6709196.buzz

  

單層石墨烯(上)激發了科學家探索半導體單晶材料——如二維黑磷單晶(中)和二硫化鉬(下)——的熱情。圖片來源: C. BICKEL


通常情況下,膠帶不會被看作是一種具有科學突破性的進展。但是當英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖羅夫(Konstantin Novoselov)(兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎)2004年與同事在《科學》雜志發表了他們的研究成果——即用透明膠帶從一塊石墨烯上剝落碳原子的單原子薄片,這一研究緩緩拉開了材料學革命的序幕。

自上述曼徹斯特研究團隊發表其研究成果的11年來,相關領域的研究成果呈指數增長,去年,全球研究人員發表的關于石墨烯的研究成果超過1.5萬項。這種現象很合乎情理:石墨烯是迄今為止制作的最輕材料,它的強度是鋼的100倍,比銅的導電性、柔韌性更好,而且很大程度上是透明的。研究人員設想了未來以石墨烯為基礎建造的每樣產品,如從下一代計算機芯片和柔性顯示器到蓄電池和燃料電池。

然而,石墨烯可能不會通過其自身作為一種理想材料來實現未來的巨大影響,而是通過它衍生的產物。盡管石墨烯有著許多令人眼花繚亂的優點,但它也有缺點,尤其是不能充當半導體——這是微電子的基石。現在,化學家和材料學家正在努力越過石墨烯,尋找其他的材料。他們正在合成其他兩種兼具柔韌性和透明度,而且擁有石墨烯無法企及的電子特性的二維片狀材料,他們已經把其中一些轉變為具備輕量性和柔韌性的快速電子和光學設備,他們希望,這些材料可以作為未來產業的支柱。

石墨烯,打開二維材料新視野

從某種意義上說,二維材料并不是全新的技術。研究人員自上世紀60年代就利用分子數外延(MBE)機器開發出原子形態的薄片材料。但是MBE機器通常被用于儲存如硅和砷化鎵等材料——這些晶體材料的原子結構通常傾向于形成三維結構。從這個層面看,由MBE機器制作的原子層就像一片奶酪,是三維材料的二維版本。

石墨烯有所不同,它更像一本書中的紙頁,中國臺灣新竹“國立清華大學”材料學教授Yi-Hsien Lee說。讓科學家大吃一驚的是,當他們近距離研究石墨烯時,卻發現塊狀石墨烯中并不存在導電性和光學特征。“最大的教訓是石墨烯并沒有那么不同。”中國上海復旦大學凝聚態物理學家張遠波說,盡管如此,研究人員表示,“石墨烯把二維材料帶到了聚光燈下。”

在談及高科技設備時,石墨烯的光環黯淡了一些。電子時代的大多數被認為有價值的材料都是半導體,而石墨烯更像一個金屬導體。“石墨烯確實是一種非常寶貴的材料。” 美國密歇根州立大學凝聚態物理學家David Tomanek說,“但它卻和電子行業不搭邊。”

然而,石墨烯打開了科學家的視野,使他們把目光聚焦于平面電子的新世界。他們看到了與石墨烯類似,但卻擁有新光電特征的材料,他們設計了單層硅(硅烯)、單層鍺(鍺烯)、單層錫(錫烯);他們創造了用氮化硼制作的絕緣體,該材料有著像石墨烯一樣的雞籠式晶格結構;他們制作了可用于控制特定化學反應的高效催化劑單層金屬氧化物;他們甚至還在二維薄片中圈入水分子,盡管這樣做有何用途目前仍不清楚。

但就目前來看,大多數圍繞平面材料的研究工作聚焦于兩種材料:一種是叫作二硫化鉬(MoS2)的化合物;另一種是名為二維黑磷單晶(或稱黑磷)的單層磷原子。兩種材料都有著吸引人的電子特性,而它們的研究者之間的競爭也極為激烈。

二硫化鉬,光學設備優選材料

在兩種材料中,二硫化鉬研究率先起步。二硫化鉬于2008年合成,是叫作過渡金屬二硫化物材料(TMDs)大家族的成員之一。這個顯得有點“花哨”的名字代表了它們的結構:一個過渡金屬原子(即鉬原子)和一對包括硫元素、硒元素在內的來自元素周期表第16列的原子(該元素家族以氧族元素著稱)。

讓電子制造者驚喜的是,所有TMDs均是半導體。它們和石墨烯的薄度近乎相同(在二硫化鉬中,兩層硫原子把一層鉬原子像“三明治”那樣夾在中間),但是它們卻有其他優點。就二硫化鉬而言,優點之一是電子在平面薄片中的運行速度,即電子遷移率。二硫化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs(即每平方厘米每伏秒通過100個電子),這遠低于晶體硅的電子遷移速率1400 cm2/vs ,但是比非晶硅和其他超薄半導體的遷移速度更好,科學家正在研究這些材料,使其用于未來電子產品,如柔性顯示屏和其他可以靈活伸展的電子產品。

研究表明,二硫化鉬還極易制作,即便是制作大片的二維材料。這讓工程師能以非常快的速度檢測它們在電子產品中的性能。例如,2011年,由瑞士聯邦理工學院的Andras Kis帶領的研究團隊在《自然—納米技術》發表文章稱,他們用僅有0.65納米厚的二硫化鉬單層薄片制作出首批晶體管。結果證明,那些產品以及隨后的產品比技術更先進的以硅為基礎的同類產品具有其他獨特屬性。

除此之外,二硫化鉬還有其他令人向往的特性,即直接帶隙,這一特性使該材料把電子轉變成光子,反之亦然。這個特性也讓二硫化鉬成為光學設備中采用的優質候選對象,這些設備諸如光發射器、激光、光電探測器,甚至還包括太陽能電池。一些科學家表示,這種材料還具備儲量豐富、價格低廉、無毒性等特點,因此Yi-Hsien Lee認為:“它的前途一片光明。”

然而,Tomanek則認為,二硫化鉬的電子遷移速率仍然不夠高,很難在擁擠的電子市場中具有競爭優勢。其原因是這種材料的結構特征,電子在其內部移動時,碰到較大的金屬原子后會在其結構內發生彈離,從而降低遷移速度。

但也有科學家表示,這種“絆腳石”將是短暫性的。研究人員正在試圖繞過這些障礙——通過變得略厚一些的多層二硫化鉬薄片,從而給壓縮電子提供選擇路徑使其繞過路障。“屆時,二硫化鉬的遷移性問題將被解決。”Yi-Hsien Lee說。

黑磷,電子設備的材料新寵

二硫化鉬的競爭對手——二維黑磷單晶(又稱黑磷)似乎讓科學家更為興奮。二維黑磷單晶是純磷可以形成的三種不同的晶體結構(或同素異形體)之一。其他兩種材料分別是用于制造煙花的白磷和用于制造火柴頭的紅磷。

二維黑磷單晶由位于兩個位面的波浪形磷原子組成,去年剛剛合成。但是其屬性已經使它成為材料學界的寵兒,其電子轉移速率為600 cm2/vs,一些研究人員希望進一步提高這一速率;同時,其頻間帶隙(讓電流通過該物質所需要的電伏)是可調諧的,即電子工程師可以通過簡單的改變二維黑磷單晶的疊層調整帶隙,這一特性有利于根據具體要求設計出期望的帶隙。“所有這些屬性都讓二維黑磷單晶成為一種超級材料。”Tomanek 說。

研究人員正在以極快的速度推進二維黑磷單晶的產品化。去年3月2日,張遠波和復旦大學的其他同事在線發表于《自然—納米技術》的報告稱,他們制作出了基于二維黑磷單晶的晶體三極管——這一產品在計算機邏輯電路中發揮著“心臟”作用。兩周以后,Tomanek和同事也在美國化學學會《納米》期刊上發表了他們利用二維黑磷單晶制作出的晶體管的報告。

然而,不幸的是,二維黑磷單晶在空氣中不穩定。“在24小時后,我們可以看到材料表面的氣泡,然后整個設備在數日內就會失效。”得州大學奧斯汀分校二維黑磷單晶專家Joon-Seok Kim說。專家表示,其中的罪魁禍首是水蒸氣,它會和磷發生反應,把磷轉化為磷酸并導致材料腐蝕。盡管如此,Kim的研究團隊和其他科研人員依然在設法解決這一問題。例如,Kim在今年3月份美國物理學會的一次報告中表示,他和同事已經可以讓基于二維黑磷單晶的晶體管持續工作3個月——通過把它們封裝在氧化鋁和聚四氟乙烯的隔層中。

然而,Yi-Hsien Lee卻認為這種方法并不能保證該材料的長期穩定性。“你可以在產品上加一層保護層,但這僅僅是減緩了老化速率。”他爭論說,二維黑磷單晶之所以獲得一些研究人員的青睞,是因為這種材料易于上手:像石墨烯那樣,可以輕而易舉地用透明膠帶剝落黑磷的薄片。“這是同一種方法。”Yi-Hsien Lee說,“但這并不意味著,二維黑磷單晶前景大好。”

最終,兩種材料或許都有很大的發展空間。“我們才剛剛入門。”佛羅里達州立大學物理學家Luis Balicas說。他表示,隨著時間的發展,工程師將利用二硫化鉬與光的強相互作用制作太陽能電池、光發射器和其他光學設備;同時增強二維黑磷單晶的高電子遷移率,并用其制作電子設備。(紅楓)

 
         
         
 

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