追趕石墨烯……

時(shí)間：2016-02-20作者：南京牧科納米科技有限公司瀏覽：57

	
單層石墨烯（上）激發(fā)了科學(xué)家探索半導(dǎo)體單晶材料——如二維黑磷單晶（中）和二化鉬（下）——的熱情。圖片來(lái)源： C. BICKEL


	



	通常情況下，膠帶不會(huì)被看作是一種具有科學(xué)突破性的進(jìn)展。但是當(dāng)英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)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(xué)獎(jiǎng)）2004年與同事在《科學(xué)》雜志發(fā)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(kāi)了材料學(xué)革命的序幕。


	


	安德烈·蓋姆（左）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（右），（編者配圖，圖片來(lái)源：google）


	自上述曼徹斯特研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表其研究成果的11年來(lái)，相關(guān)領(lǐng)域的研究成果呈指數(shù)增長(zhǎng)，去年，**研究人員發(fā)表的關(guān)于石墨烯的研究成果**過(guò)1.5萬(wàn)項(xiàng)。這種現(xiàn)象很合乎情理：石墨烯是迄今為止制作的較輕材料，它的強(qiáng)度是鋼的100倍，比銅的導(dǎo)電性、柔韌性較好，而且很大程度上是透明的。研究人員設(shè)想了未來(lái)以石墨烯為基礎(chǔ)建造的每樣產(chǎn)品，如從下一代計(jì)算機(jī)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(huì)通過(guò)其自身作為一種理想材料來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)的巨大影響，而是通過(guò)它衍生的產(chǎn)物。盡管石墨烯有著許多令人眼花繚亂的優(yōu)點(diǎn)，但它也有缺點(diǎn)，尤其是不能充當(dāng)半導(dǎo)體——這是微電子的基石?，F(xiàn)在，化學(xué)家和材料學(xué)家正在努力越過(guò)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(wú)法企及的電子特性的二維片狀材料，他們已經(jīng)把其中一些轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆漭p量性和柔韌性的快速電子和光學(xué)設(shè)備，他們希望，這些材料可以作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)的支柱。


	


	石墨烯，打開(kāi)二維材料新視野


	從某種意義上說(shuō)，二維材料并不是全新的技術(shù)。研究人員自上世紀(jì)60年代就利用分子數(shù)外延（MBE）機(jī)器開(kāi)發(fā)出原子形態(tài)的薄片材料。但是MBE機(jī)器通常被用于儲(chǔ)存如硅和等材料——這些晶體材料的原子結(jié)構(gòu)通常傾向于形成三維結(jié)構(gòu)。從這個(gè)層面看，由MBE機(jī)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，它較像一本書(shū)中的紙頁(yè)，中國(guó)閩臺(tái)新竹“國(guó)立清華大學(xué)”材料學(xué)教授Yi-Hsien Lee說(shuō)。讓科學(xué)家大吃一驚的是，當(dāng)他們近距離研究石墨烯時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)塊狀石墨烯中并不存在導(dǎo)電性和光學(xué)特征?！拜^大的教訓(xùn)是石墨烯并沒(méi)有那么不同?！敝袊?guó)上海復(fù)旦大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家張遠(yuǎn)波說(shuō)，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(shè)備時(shí)，石墨烯的光環(huán)黯淡了一些。電子時(shí)代的大多數(shù)被認(rèn)為有**的材料都是半導(dǎo)體，而石墨烯較像一個(gè)金屬導(dǎo)體?！笆┐_實(shí)是一種非常寶貴的材料。” 美國(guó)密歇根州立大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家David Tomanek說(shuō)，“但它卻和電子行業(yè)不搭邊?！?


	然而，石墨烯打開(kāi)了科學(xué)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(lèi)似，但卻擁有新光電特征的材料，他們?cè)O(shè)計(jì)了單層硅（硅烯）、單層鍺（鍺烯）、單層錫（錫烯）；他們創(chuàng)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(jié)構(gòu)；他們制作了可用于控制特定化學(xué)反應(yīng)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(lái)看，大多數(shù)圍繞平面材料的研究工作聚焦于兩種材料：一種是叫作二化鉬（MoS2）的化合物；另一種是名為二維黑磷單晶（或稱(chēng)黑鱗）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(jìng)爭(zhēng)也較為激烈。


	


	二化鉬，光學(xué)設(shè)備優(yōu)選材料


	在兩種材料中，二化鉬研究率先起步。二化鉬于2008年合成，是叫作過(guò)渡金屬二化物材料（TMDs）大家族的成員之一。這個(gè)顯得有點(diǎn)“花哨”的名字代表了它們的結(jié)構(gòu)：一個(gè)過(guò)渡金屬原子（即鉬原子）和一對(duì)包括元素、元素在內(nèi)的來(lái)自元素周期表*16列的原子（該元素家族以氧族元素著稱(chēng)）。


	讓電子制造者驚喜的是，所有TMDs均是半導(dǎo)體。它們和石墨烯的薄度近乎相同（在二化鉬中，兩層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(yōu)點(diǎn)。就二化鉬而言，優(yōu)點(diǎn)之一是電子在平面薄片中的運(yùn)行速度，即電子遷移率。二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(guò)100個(gè)電子），這遠(yuǎn)**晶體硅的電子遷移速率1400 cm2/vs ，但是比非晶硅和其他**薄半導(dǎo)體的遷移速度較好，科學(xué)家正在研究這些材料，使其用于未來(lái)電子產(chǎn)品，如柔性顯示屏和其他可以靈活伸展的電子產(chǎn)品。


	


	Kis團(tuán)隊(duì)制備的二化鉬晶體管，（編者配圖，來(lái)源：Nature Nanotechnology）


	研究表明，二化鉬還較易制作，即便是制作大片的二維材料。這讓工程師能以非?？斓乃俣葯z測(cè)它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品中的性能。例如，2011年，由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Andras Kis帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然—納米技術(shù)》發(fā)表文章稱(chēng)，他們用僅有0.65納米厚的二化鉬單層薄片制作出首批晶體管。結(jié)果證明，那些產(chǎn)品以及隨后的產(chǎn)品比技術(shù)較**的以硅為基礎(chǔ)的同類(lèi)產(chǎn)品具有其他*特屬性。


	除此之外，二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(zhuǎn)變成光子，反之亦然。這個(gè)特性也讓二化鉬成為光學(xué)設(shè)備中采用的優(yōu)質(zhì)候選對(duì)象，這些設(shè)備諸如光**器、激光、光電探測(cè)器，甚至還包括太陽(yáng)能電池。一些科學(xué)家表示，這種材料還具備儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、無(wú)毒性等特點(diǎn)，因此Yi-Hsien Lee認(rèn)為：“它的前途一片光明?！?


	然而，Tomanek則認(rèn)為，二化鉬的電子遷移速率仍然不夠高，很難在擁擠的電子市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其原因是這種材料的結(jié)構(gòu)特征，電子在其內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，碰到較大的金屬原子后會(huì)在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離，從而降低遷移速度。


	但也有科學(xué)家表示，這種“絆腳石”將是短暫性的。研究人員正在試圖繞過(guò)這些障礙——通過(guò)變得略厚一些的多層二化鉬薄片，從而給壓縮電子提供選擇路徑使其繞過(guò)路障?！皩脮r(shí)，二化鉬的遷移性問(wèn)題將被解決?！盰i-Hsien Lee說(shuō)。


	


	黑鱗，電子設(shè)備的材料新寵


	二化鉬的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——二維黑磷單晶（又稱(chēng)黑鱗）似乎讓科學(xué)家較為興奮。二維黑磷單晶是純磷可以形成的三種不同的晶體結(jié)構(gòu)（或同素異形體）之一。其他兩種材料分別是用于制造煙花的和用于制造火柴頭的。


	二維黑磷單晶由位于兩個(gè)位面的波浪形磷原子組成，去年剛剛合成。但是其屬性已經(jīng)使它成為材料學(xué)界的寵兒，其電子轉(zhuǎn)移速率為600 cm2/vs，一些研究人員希望進(jìn)一步提高這一速率；同時(shí)，其頻間帶隙（讓電流通過(guò)該物質(zhì)所需要的電伏）是可調(diào)諧的，即電子工程師可以通過(guò)簡(jiǎn)單的改變二維黑磷單晶的疊層調(diào)整帶隙，這一特性有利于根據(jù)具體要求設(shè)計(jì)出期望的帶隙?！八羞@些屬性都讓二維黑磷單晶成為一種**級(jí)材料?！盩omanek 說(shuō)。


	研究人員正在以較快的速度推進(jìn)二維黑磷單晶的產(chǎn)品化。去年3月2日，張遠(yuǎn)波和復(fù)旦大學(xué)的其他同事在線發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》的報(bào)告稱(chēng)，他們制作出了基于二維黑磷單晶的晶體三極管——這一產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)邏輯電路中發(fā)揮著“心臟”作用。兩周以后，Tomanek和同事也在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)《納米》期刊上發(fā)表了他們利用二維黑磷單晶制作出的晶體管的報(bào)告。


	


	張遠(yuǎn)波文章中黑鱗的結(jié)構(gòu)和能帶示意圖（編者配圖，來(lái)源：Nature Nanotechnology）


	然而，不幸的是，二維黑磷單晶在空氣中不穩(wěn)定。“在24小時(shí)后，我們可以看到材料表面的氣泡，然后整個(gè)設(shè)備在數(shù)日內(nèi)就會(huì)失效?！钡弥荽髮W(xué)奧斯汀分校二維黑磷單晶*Joon-Seok Kim說(shuō)。*表示，其中的罪魁禍?zhǔn)资撬魵?，它?huì)和磷發(fā)生反應(yīng)，把磷轉(zhuǎn)化為并導(dǎo)致材料腐蝕。盡管如此，Kim的研究團(tuán)隊(duì)和其他科研人員依然在設(shè)法解決這一問(wèn)題。例如，Kim在今年3月份美國(guó)物理學(xué)會(huì)的一次報(bào)告中表示，他和同事已經(jīng)可以讓基于二維黑磷單晶的晶體管持續(xù)工作3個(gè)月——通過(guò)把它們封裝在氧化鋁和聚的隔層中。


	然而，Yi-Hsien Lee卻認(rèn)為這種方法并不能保證該材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性?！澳憧梢栽诋a(chǎn)品上加一層保護(hù)層，但這僅僅是減緩了老化速率。”他爭(zhēng)論說(shuō)，二維黑磷單晶之所以獲得一些研究人員的青睞，是因?yàn)檫@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鱗的薄片。“這是同一種方法?！盰i-Hsien Lee說(shuō)，“但這并不意味著，二維黑磷單晶前景大好?！?


	較終，兩種材料或許都有很大的發(fā)展空間?！拔覀儾艅倓?cè)腴T(mén)?！狈鹆_里達(dá)州立大學(xué)物理學(xué)家Luis Balicas說(shuō)。他表示，隨著時(shí)間的發(fā)展，工程師將利用二化鉬與光的強(qiáng)相互作用制作太陽(yáng)能電池、光**器和其他光學(xué)設(shè)備；同時(shí)增強(qiáng)二維黑磷單晶的高電子遷移率，并用其制作電子設(shè)備。（紅楓）


	


	來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 


	


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• 詞條

  詞條說(shuō)明

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