Schaalbare strategie produceert hoogwaardige zwarte fosfor nanoribbons voor elektronica

Zwarte fosfor nanoribbons (BPNR’s), dunne en smal lintachtige stroken zwarte fosfor, is bekend dat ze zeer voordelige elektronische eigenschappen vertonen, waaronder een instelbare bandgap. Dit betekent in wezen dat het energieverschil tussen de regio waar elektronen samengebonden zijn (dwz valentieband) en dat waar elektronen vrij bewegen (dwz geleidingsband) gemakkelijk kan worden geregeld door de breedte van de nanoribbons aan te passen.

Een instelbare bandgap is essentieel voor de ontwikkeling van transistoren, de componenten die de stroom van elektrische stroom door elektronische apparaten regelen.

Hoewel verschillende eerdere studies de belofte van BPNR’s hebben benadrukt voor de ontwikkeling van elektronica, ontbreken strategieën die hun betrouwbare fabricage op grote schaal mogelijk kunnen maken.

Onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong University en andere instituten hebben onlangs een nieuwe schaalbare strategie geïntroduceerd voor de realisatie van hoogwaardige BPNR’s die consistent zijn in grootte, goed gedefinieerde randen hebben en minimale defecten vertonen.

Hun voorgestelde aanpak, in een paper uiteengezet gepubliceerd in Natuurmaterialenvertrouwt op een techniek die is ontworpen om gelaagde materialen uit elkaar te schillen die gebruikmaken van ultrasone geluidsgolven in vloeistoffen.

“Onze onderzoeksgroep is al lang toegewijd aan het identificeren van ideale kanaalmaterialen om krachtige veldeffecttransistoren met verminderde grootte en stroomverbruik mogelijk te maken,” vertelde professor Changxin Chen, die het onderzoek leidde, aan Phys.org.

“BPNR’s bieden voordelen als kanaalmaterialen ten opzichte van andere kandidaten zoals koolstofnanobuisjes, grafeen nanoribbons en tweedimensionale (2D) zwarte fosfor (BP). BPNR’s zijn bijvoorbeeld volledig halfgeleidend, in tegenstelling tot koolstofnanobuisjes, die semiconductie of metaal kunnen zijn.

“Bovendien vertonen BPNR’s een superieure afweging tussen mobiliteit en bandgap dan grafeen nanoribbons. BPNRS vermijdt ook de noodzaak om grote, enkele laag 2D-BP ​​te bereiden, die aanzienlijke en wijd instelbare bandgaps bieden.”

Sinds enige tijd hebben Chen en zijn collega’s geprobeerd een schaalbare strategie te bedenken om hoogwaardige en smalle BPNR’s te realiseren met gladde randen en goed gedefinieerde oriëntaties. De fabricagestrategie die in hun recente artikel is geïntroduceerd, is gebaseerd op een nieuw geïntroduceerde sonochemische peelingtechniek.

“We gebruikten eerst een transportreactie op korte weg om bulk-BP-kristallen te synthetiseren met een enigszins vergrote roosterparameter langs de fauteuilrichting,” legde Chen uit.

“Deze spanning zorgt ervoor dat het kristal bij voorkeur op de kristalvlaktel loodrecht op de richtingen van de fauteuil in plaats van andere vlakken kan worden losgelaten. Vervolgens hebben we geschikte ultrasone omstandigheden toegepast om bulk-BP-kristallen uit te pakken, waardoor eendimensionale (1D) hoogwaardige BPNR’s worden opgeleverd.”

Met hun nieuw bedacht strategie creëerden de onderzoekers nanoribbons met een breedte gecentreerd op 32 nm die zo smal kan zijn als 1,5 nm; De smalste van de BPNR’s die tot nu toe zijn gerapporteerd. Opmerkelijk is dat hun fabricagemethode een opbrengst tot 95%vertoonde.

Bovendien gaven de smalle breedte en zigzagranden van de resulterende BPNR’s aanleiding tot een grote bandgap, terwijl hun bijna atomisch gladde randen de verspreiding van de dragers onderdrukten en leidden tot hoge mobiliteit.

“We hebben hoogwaardige, smalle BPNR’s bereikt met bijna atomisch gladde randen en goed gedefinieerde randoriëntatie bij hoge opbrengst door de sonochemische exfoliatie van de gesynthetiseerde bulk-BP-kristallen met een enigszins vergrote roosterparameter langs de richtingsrichting,” zei Chen.

“Met de voorbereide BPNR’s, de veldeffecttransistorprestaties met een aan/uit-verhouding van 1,7 × 10⁶ en mobiliteit van 1.506 cm² V^-1 S^-1die de hoogste uitgebreide prestaties van de FET’s vertegenwoordigen op basis van BPNR’s of 2D BP tot nu toe gerapporteerd. “

Als onderdeel van hun studie toonden Chen en zijn collega’s aan dat de BPNR’s die ze creëerden, ook zouden kunnen dienen als bijna-infrarood fotodetectoren. In feite vertoonden de smalle structuren een responsiviteit van 11,2 A/W en specifieke detectiviteit van 1,1 × 10¹¹ CM Hz^1/2 W^-1het beter presteren van de meeste bestaande nabij-infrarooddetectoren op basis van 1D-nanomaterialen, 2D-nanomaterialen en andere hybride structuren.

In de toekomst zou de nieuwe fabricagebenadering die dit onderzoeksteam bedacht, verder kan worden verbeterd en in real-world instellingen kunnen worden ingezet, waardoor de grootschalige productie van hoogwaardige BPNR’s mogelijk is. Dit kan op zijn beurt de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van compacte elektronische en opto -elektronische apparaten die aanzienlijk kleiner zijn dan die vandaag beschikbaar zijn.

“Als onderdeel van ons toekomstige onderzoek zullen we gecontroleerde strategieën ontwikkelen om hoogwaardige BPNR’s te produceren met unidirectionele afstemming en uniforme breedtes,” voegde Chen toe.

“Dergelijke strategieën zijn cruciaal voor het overwinnen van de huidige uitdagingen in schaalbaarheid en structurele variabiliteit voor BPNR’s en zullen BPNR’s uiteindelijk betrouwbaar kunnen worden geïntegreerd in grootschalige geïntegreerde circuits.”