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“未来材料”新宠:《Science》报道钾掺杂黑磷,应用或超越石墨烯

最近,来自韩国浦项工科大学(POSTECH)的研究团队通过调节黑磷(Black phosphorus)的带隙(band gap),有效地将这种半导体材料改变成具有各向异性分散的独特状态,从而变成优秀的导体。具有这种独特性质并可进行大规模生产的黑磷,使得电子器件和光电子器件的设计和优化有了更大的灵活性。该项研究成功发表于近期的《Science》杂志。

Credit: Institute for Basic Science


要真正理解该研究小组成果的意义,首先要了解所谓“2D材料”,而要了解“2D材料”,就不得不从其代表——石墨烯说起。于2010年被发现的石墨烯被誉为一个奇迹,它比钢强度更高、质量更轻,比铜更导电,比橡胶更灵活,能够应用在各个领域,如电子、航空航天和运动。发现石墨烯的两位英国科学家,也因此获得了诺贝尔物理学奖。然而,石墨烯却有一个致命缺陷,那就是没有带隙。带隙越小,导电性越强,石墨烯的带隙为零,这导致其在自然状态下只能是一个导体,且不能改变导电性,也就是说不具有半导体的性质,也就有可能不具备半导体的广泛应用。


图片来源:ec.csc86.com


黑磷是磷烯(phosphorene)的堆叠,自然状态下具有带隙。POSTECH的研究团队通过利用原位表面掺杂技术(in situ surface doping)将钾掺杂入黑磷,发现钾掺杂的黑磷具有广泛可调的带隙。通过带结构的测量和计算,研究人员发现,由于斯塔克效应(Stark effect),掺杂剂钾形成的垂直电场调节了黑磷的带隙,使其从中带隙半导体(moderate-gap semiconductor)转变成反转半金属(band-inverted semimetal)。


POSTECH的Keun Su Kim教授(该文的通讯作者)说,“我们将钾掺杂剂的电子转移到黑磷表面,这能够限制电子并使我们能够操控这种状态。钾能产生强电场,而这正是调节黑磷带隙所需要的。”


这种改进的黑磷,性能优异且易于大规模制备,其应用潜力惊人,在“未来材料”的竞争路上有可能超越风头正盛的石墨烯


1. http://www.sciencemag.org/content/349/6249/723
2. http://www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150813142552.htm


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