上观新闻:探寻物理世界中的“二次元”,开辟一个新的半导体材料研究方向

作者:彭德倩摄影:彭德倩 视频: 来源:上观新闻2021年5月25日发布时间:2021-05-26

相关论文是相关领域的“开山之作”,如今已激发全球包括物理、化学、生物等多领域研发。

张远波教授在实验室

当前,半导体器件的集成即将达到传统硅基半导体材料的物理极限。此次获得自然科学一等奖的“高迁移率半导体二维黑鳞的发现”项目由复旦大学和中国科技大学共同合作,探寻物理世界中的“二次元”,为更小的半导体器件寻找新材料,相关论文是相关领域的“开山之作”,如今已激发全球包括物理、化学、生物等多领域研发。

走进项目专家,复旦大学特聘教授张远波的办公室,从门边开始的一整面墙,被打造成墨绿色黑板,“这样写写算算方便些,也很漂亮,”他说。谈起研究,他笑着说,现在年轻人里面不是流行“二次元”吗?二维黑磷也是半导体里的“二次元”。

以硅基器件为基础的信息产业发展面临屏障

当器件大小接近原子尺度,传统硅基材料表面的悬挂键会使器件材料丧失原本的半导体特性,传统器件的进一步缩小和集成从而遇到困难;以硅基器件为基础的信息产业的发展最终会面临一个屏障。

自2004年起,以石墨烯为代表的二维材料的出现为突破这个屏障带来了新的机遇。二维材料的厚度在原子量级,化学键都在原子层内,即使器件接近原子厚度仍然保持其本征物性,从而可能可以突破传统硅基半导体的材料极限。虽然石墨烯缺乏能隙,无法做半导体晶体管,但是半导体二维材料的探索蕴藏着巨大的机会。

从2011年的一次学术会议开始,张远波和陈仙辉两位教授领衔的团队,共同将解决问题的视线,第一次投向了黑磷。

首次在二维黑磷中实现了场效应晶体管

磷,很多人都熟悉。比如,白磷众所周知燃点较低,容易自燃,红磷是火柴棍顶上那个着火点。而黑磷,在自然界中并不存在,早在100多年前,就在实验室被合成而来,以一层层的结构存在,是磷的同素异形体之一,

(a) 二维黑磷的晶体结构;(b)项目制备的二维黑磷场效应晶体管

项目组科学家们首次在二维黑磷中实现了场效应晶体管,开辟了一个新的半导体材料研究方向。项目发现黑磷场效应晶体管开关比石墨烯器件高出4个数量级,室温迁移率也优于商用硅基晶体管。科学家们还实现了层数、机械应变以及压强对黑磷能隙的调控。项目发现,通过改变晶体层数,黑磷能隙可以与III-V族半导体、硅等传统半导体能隙相匹配;配合机械应变或压强调控,二维黑磷能隙原则上可以覆盖从远红外到可见光这一个对光电应用有重要意义的光谱范围,可能在红外探测、通信等领域有应用前景。

“研究是探索和试错的过程,需要经常性的反思和调整。”

回顾研究历程,堪称摸着石头过河。由于极具前瞻性和复杂性,尽管与中国科技大学陈仙辉教授课题组“强强联手”,刚开始两三年,研究仍是进展缓慢。为此,张远波不得不借用其他实验室设备,在多地实验室之间来回奔波。

研究进展经常不顺利,张远波的心态却很平和。在他看来,探索新材料、发现新物理,是一个长期的过程,短时间内没有进展很正常。“研究是探索和试错的过程,需要经常性的反思和调整。”

兴趣支撑着挑战,扎实的研究功底与锲而不舍的反复尝试终于得到了回报——2014年,张远波和陈仙辉团队成功制备基于黑磷的场效应晶体管器件,相关成果发表于《自然·纳米技术》。

“我们找到了新材料,但还没有发现新物理。”张远波坦言,寻找新材料背后的新现象,需要超出当前的研究视野和理解范围,“这是一条艰难的道路,但值得去做。”在他看来, 做科研的态度,就是习惯跟失败打交道,坚持下去,因为努力不一定会成功,但是不努力一定不会成功。

制图:实习编辑:何叶责任编辑:

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