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1、新型二維晶體材料黑磷烯,匯 報 人： 越迷貝貝 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師：,目 錄,目 錄,背景,二十一世紀(jì)是信息化的時代，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快 電子器件的尺寸和精細(xì)度的要求也在不斷的提高，傳統(tǒng)的三維晶體材料已經(jīng)不能滿足科技發(fā)展的需要； 工業(yè)界一直在尋找一種新的材料來制造電子器件，尤其是高性能的半導(dǎo)體電子器件； 2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈蓋姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在； 二維晶體材料的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們打開了一扇新的大門。,二維晶體材料,二維晶體材料：由幾層單原子層堆疊而成的納米厚度的平面晶體。 典型代表：石墨烯、單層過渡金屬二硫化物（如單層M

2、oS2）、單層六方氮化硼以及薄層黑磷等。,二維晶體材料的優(yōu)異特性,二維晶體材料的優(yōu)異特性： 比表面積：可以為化學(xué)反應(yīng)提供更多反應(yīng)位點的巨大的比表面積。 量子尺寸效應(yīng)：具有一個維度上的量子尺寸效應(yīng)，是研究物質(zhì)微觀條件下的物理、化學(xué)現(xiàn)象的理想的模型。 可調(diào)控性：通過表面原子吸附、元素替代摻雜、拉伸應(yīng)變、不同方向邊緣切割、構(gòu)型設(shè)計、控制片層厚度以及缺陷工程等方法可以實現(xiàn)材料性能的可控調(diào)制。為研究與電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)提供了方便。 此外，二維晶體材料還具有許多特點，如：超薄、超輕、柔性等。 二維晶體材料可以用來制作各種各樣的柔性電子器件、柔性光電器件、高功率/質(zhì)量比的太陽能電池。目前

3、人們已經(jīng)研究出基于二維晶體材料的超高靈敏度光檢測器、超薄太陽能電池原型器件等,目 錄,傳統(tǒng)二維材料的缺陷,石墨烯材料的電子結(jié)構(gòu)中沒有半導(dǎo)體帶隙，其帶隙為0。正因為這個特性，在實際應(yīng)用中，原始的石墨烯材料不能解決電流的“開”和“關(guān)”的問題。正是這一缺點，弱化了石墨烯材料在計算機等器件中半導(dǎo)體開關(guān)方面的應(yīng)用。,2014年，復(fù)旦大學(xué)物理系的張遠(yuǎn)波教授課題組發(fā)現(xiàn)了一種性能比較完美的新型二維半導(dǎo)體材料黑磷烯（Phosphorene）。,磷烯的結(jié)構(gòu)特點,單層的黑磷稱作磷烯。黑磷烯是一種幾何結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的二維晶體材料，它的單胞包含四個P原子。 黑磷烯的原子結(jié)構(gòu)與石墨烯的結(jié)構(gòu)非常相似，由六個P原子圍成了一個環(huán)

4、狀的六角形結(jié)構(gòu)。 石墨烯所形成的原子層在同一個平面內(nèi)，而磷烯層不是平面。由于SP3雜化作用，黑磷烯原子形成了一個褶皺蜂窩狀的表面結(jié)構(gòu)。,磷烯的表征,黑磷烯的拉曼特征峰有3個，分別在360，435，460cm-1處； 拉曼峰位的層數(shù)依賴性； 拉曼峰強的層數(shù)依賴性。,磷烯的帶隙,直接帶隙：黑磷烯價帶的頂部（最大值處）與導(dǎo)帶的底部（最小值處）都位于布里淵區(qū)的中心點處； 實驗測出磷烯的帶隙寬度為0.91eV； 黑磷烯的導(dǎo)帶和價帶有著截然不同的分布路徑，這說明了黑磷烯有著高度的各向異性的結(jié)構(gòu)特性； 二維黑磷烯是一種非常典型的各向異性的直接帶隙半導(dǎo)體材料。,磷烯的帶隙,磷烯的帶隙是可以通過磷烯的層數(shù)來調(diào)節(jié)

5、的。 單層磷烯的帶隙值為1.51eV，而五層磷烯的帶隙值則為 0.59eV。,磷烯的帶隙,K摻雜,磷烯的各向異性,黑磷具有高度各向異性的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。 為新型電子以及光電機械設(shè)備的研究指明了方向。,弓形,鋸齒形,石墨烯,磷烯,MoS2,力學(xué),電學(xué)及光學(xué),光子學(xué)特性,黑磷烯具有優(yōu)異的光子學(xué)特性。 黑磷烯是直接帶隙半導(dǎo)體，電子只需吸收光能，就能從非導(dǎo)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電，這意味著黑磷烯和光可以直接耦合。 包括光吸收、發(fā)射和調(diào)節(jié)在內(nèi)的半導(dǎo)體材料的光電作用都取決于其能帶間隙的大小，而黑磷烯的能隙寬度可在0.3至2.0eV之間進行調(diào)節(jié)，且其能隙可通過黑磷烯的層數(shù)及外加電場進行調(diào)節(jié)，因此，黑磷烯能夠吸收和發(fā)

6、射波長在0.6至4.0微米之間的光既包括可見光，也包括紅外光。 該范圍對于黑磷烯在傳感器和光學(xué)通信方面的應(yīng)用至關(guān)重要。,目 錄,4、黑磷烯的制備,機械剝離法,該方法制備出的薄層磷烯包含一至三層黑磷烯且具有良好的穩(wěn)定性和結(jié)晶性；與傳統(tǒng)的機械剝離方法相比，能夠獲得密度更大、質(zhì)量更好的單層黑磷烯。,Nitto膠帶不斷剝離,將膠帶輕輕壓在聚二甲硅氧烷基體上并迅速分離,將粘有薄層黑磷的基體與其他受主基體輕輕接觸后緩慢分離,機械剝離法,可獲得均勻厚度、完美結(jié)構(gòu)以及良好的結(jié)晶性黑磷烯，同時可通過控制等離子體的功率及壓強來控制磷烯的層數(shù)。,機械剝離,用功率為30W、壓強為30Pa的Ar+等離子體在室溫下對薄層

7、黑磷晶體進行減薄,液相剝離法,該方法所得晶體結(jié)構(gòu)完整、沒有缺陷，可控尺寸的薄層磷烯，這使得黑磷烯可應(yīng)用在復(fù)合材料的增強體（大尺寸磷烯）及催化劑（小尺寸磷烯）等領(lǐng)域。,加入黑磷塊體,離心分離（1000rpm,180min）,液相剝離法,該方法制備出的35層磷烯側(cè)向面積較大，13層磷烯側(cè)向面積則較小。,加入黑磷塊體,離心分離,化學(xué)合成法,可制備高純度、大尺寸的薄層磷烯，且制備周期短。,化學(xué)合成法,通過濺射或熱沉積的方式在柔性聚酯（PET）基體上沉積一層薄紅磷（RP）；后將沉積有薄層紅磷的基體放入多砧容器內(nèi)，在保持常溫下對容器加壓，直到達(dá)到8GPa，形成厚度約為40nm的磷烯。 該方法制備的磷烯光學(xué)

8、性質(zhì)相差不大，場效應(yīng)晶體管的性能：其開關(guān)比約為200，載流子遷移率為0.5cm2/(Vs)，載流子遷移率比機械剝離方法制備的磷烯晶體管小,目 錄,場效應(yīng)晶體管,也稱為單極型晶體管，由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件 類別：PN結(jié)型場效應(yīng)管和金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管 優(yōu)點：輸入電阻高（1071015）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼?場效應(yīng)晶體管,傳統(tǒng)的FET半導(dǎo)體多使用三維晶體材料（硅），由于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，即將到達(dá)尺寸瓶頸。 由于單層磷烯是帶隙值可達(dá)到2eV的直接帶隙半導(dǎo)體，且其帶隙的大小可通過改變原子層數(shù)來調(diào)節(jié)，且磷烯具有很高

9、的載流子遷移率，為磷烯場效應(yīng)晶體管的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。,磷烯場效應(yīng)晶體管,2014年，復(fù)旦大學(xué)的張遠(yuǎn)波、封東來、吳驊三位教授與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳仙輝教授的課題組合作，成功制備了具有能帶帶隙的二維黑磷的場效應(yīng)晶體管器件。 二維黑磷晶體材料的半導(dǎo)體性能非常好，在納米電子器件的應(yīng)用方面有著巨大的潛力。,漏電流調(diào)制幅度在105量級的可靠的晶體管性能,良好的電流飽和效應(yīng),霍爾系數(shù)和電導(dǎo)隨柵電壓的變化,磷烯場效應(yīng)晶體管,Si/SiO2基體上的薄層磷烯晶體管的性能測試結(jié)果,載流子遷移率達(dá)到300cm2/(Vs),漏電流調(diào)制率超過103,同時表現(xiàn)出電子和空穴的傳導(dǎo),良好的電流飽和效應(yīng),磷烯場效應(yīng)晶體管,A

10、bbas等利用如圖所示的場效應(yīng)晶體管，設(shè)計了一種氣體傳感器，并對該傳感器進行了測試，結(jié)果表明，利用該氣體傳感器可以對ppb級濃度的NO2進行測量。,FET電導(dǎo)率隨著時間的變化,電導(dǎo)率與NO2濃度的關(guān)系,其他應(yīng)用,黑磷烯是直接帶隙P型半導(dǎo)體，使其在光學(xué)和光電子領(lǐng)域是有很大的應(yīng)用前景。 黑磷烯能表現(xiàn)出唯一的多電子效應(yīng)，且其電子結(jié)構(gòu)自發(fā)地沿著一維方向排列，導(dǎo)致其具有特有的增強自修正能量及激發(fā)效應(yīng)。因此黑磷烯在光電等領(lǐng)域有許多潛在應(yīng)用價值。 黑磷烯能吸收沿扶手椅方向的偏正光，而透射沿鋸齒方向的偏正光。這使得該材料在線性偏振器方面有著潛在的應(yīng)用。 黑磷烯的帶隙可調(diào)節(jié)性使其在設(shè)計和優(yōu)化其電子及光電子器件方

11、面有著巨大的靈活性。這表明黑磷烯在制備光電子器件方面是一種很有前途的材料。,磷烯光探測器,Nathan等研發(fā)了一款黑磷烯光探測器，其光學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子信號的速率可達(dá)3Gbit/s,低摻雜和高摻雜黑磷光探測器的寬頻響應(yīng)測試結(jié)果,黑磷烯光探測器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率測試結(jié)果,氣體傳感器及納米傳感器,薄層磷烯表現(xiàn)出比石墨烯更強的飽和吸收響應(yīng)，其超快的非線性性能使磷烯在光電子器件方面有著巨大的應(yīng)用價值； 由于NH3對磷烯貢獻了電子，使得磷烯變?yōu)镻型半導(dǎo)體，從而改變了磷烯的阻抗，這為黑磷烯應(yīng)用在氣體傳感器及納米傳感器方面提供了現(xiàn)實依據(jù)。,飽和吸收度,濃度與阻抗,濃度與信噪比,應(yīng)力-應(yīng)變曲線,楊氏模量,抗拉強度,

12、拉伸韌性,力學(xué)的各向異性,非線性性能,目 錄,氧化降解,黑磷烯存在一個致命的缺陷，那就是當(dāng)這種纖薄的單晶與周圍環(huán)境接觸時，很容易發(fā)生氧化降解。在氧氣、水和光的聯(lián)合作用下二維黑磷單晶很容易發(fā)生氧化。 封裝在氧化鋁和聚四氟乙烯的隔層 未來的研究熱點將會是如何提高黑磷的穩(wěn)定性，防止其在空氣中氧化，保證其能夠在日常環(huán)境中長時間的正常工作。,氧化后出現(xiàn)泡狀物,粗糙度隨時間增加,粗糙度隨時間增加更快,封裝后較好,制備與大規(guī)模生產(chǎn),黑磷烯依然無法大規(guī)模生產(chǎn) 機械剝離法生產(chǎn)黑磷耗時耗力，且生產(chǎn)的黑磷質(zhì)量差，層數(shù)不可控，黑磷烯過于碎片化； 液相剝離法無法生產(chǎn)大片的黑磷； 而化學(xué)合成法生成的黑磷晶粒小，載流子遷移率小。 隨著科學(xué)家們的努力，石墨烯的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)實，相信不久的將來，黑磷烯的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)也必將實現(xiàn)。,請各位老師批評指正！ 謝謝！,