Skalierbare Strategie produziert hochwertige schwarze Phosphor-Nanobänder für Elektronik

17. September 2025 Funktion

von Ingrid Fadelli, Phys.org

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bearbeitet von Sadie Harley, überprüft von Robert Egan

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Schwarze Phosphor-Nanobänder (BPNRs), dünn und schmal zugeschnittene Streifen aus schwarzem Phosphor, weisen äußerst vorteilhafte elektronische Eigenschaften auf, einschließlich eines einstellbaren Bandabstands. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass der Energieunterschied zwischen dem Bereich, in dem Elektronen zusammengebunden sind (d. h. Valenzband) und dem Bereich, in dem Elektronen frei beweglich sind (d. h. Leitungsband), durch Anpassung der Breite der Nanobänder leicht kontrolliert werden kann.

Ein einstellbarer Bandabstand ist für die Entwicklung von Transistoren unerlässlich, den Bauteilen, die den Stromfluss durch elektronische Geräte steuern.

Obwohl mehrere frühere Studien das Potenzial von BPNRs für die Entwicklung von Elektronik hervorgehoben haben, fehlen immer noch Strategien, die ihre zuverlässige Herstellung im großen Maßstab ermöglichen.

Forscher der Shanghai Jiao Tong University und anderer Institute haben kürzlich eine neue skalierbare Strategie zur Realisierung von hochwertigen BPNRs vorgestellt, die in der Größe konsistent sind, klar definierte Kanten aufweisen und minimale Mängel aufweisen.

Ihr vorgeschlagener Ansatz, der in einem in Nature Materials veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben ist, basiert auf einer Technik, die darauf abzielt, geschichtete Materialien mithilfe von Ultraschallwellen in Flüssigkeiten zu trennen.

"Unsere Forschungsgruppe hat sich lange damit beschäftigt, ideale Kanalmaterialien zu identifizieren, um leistungsstarke Feldeffekttransistoren mit reduzierter Größe und Leistungsaufnahme zu ermöglichen", sagte Phys.org Professor Changxin Chen, der die Forschung leitete.

"BPNRs bieten Vorteile als Kanalmaterialien gegenüber anderen Kandidaten wie Kohlenstoffnanoröhren, Graphennanobändern und zweidimensionalem (2D) schwarzem Phosphor (BP). BPNRs sind beispielsweise vollständig halbleitend im Gegensatz zu Kohlenstoffnanoröhren, die halbleitend oder metallisch sein können.

"Darüber hinaus zeigen BPNRs ein überlegenes Verhältnis zwischen Mobilität und Bandabstand im Vergleich zu Graphennanobändern. BPNRs vermeiden außerdem die Notwendigkeit, große Flächen von wenigen Schichten 2D-BP vorzubereiten, was große und weit einstellbare Bandabstände ermöglicht."

Chen und seine Kollegen bemühen sich seit einiger Zeit, eine skalierbare Strategie zu entwickeln, um hochwertige und schmale BPNRs mit glatten Kanten und klar definierten Orientierungen zu realisieren. Die in ihrem kürzlich erschienenen Beitrag vorgestellte Herstellungsstrategie basiert auf einer neu eingeführten sonochmischen Schältechnik.

"Wir haben zuerst eine Kurzstreckentransportreaktion verwendet, um große BP-Kristalle mit einem leicht vergrößerten Gitterparameter in Längsrichtung zu synthetisieren", erklärte Chen.

"Dieser Stress ermöglicht es dem Kristall, sich vorzugsweise entlang der Kristallebene senkrecht zur Längsrichtung zu entfalten, anstatt entlang anderer Ebenen. Anschließend haben wir geeignete Ultraschallbedingungen angewendet, um große BP-Kristalle zu entfalten, wodurch eindimensionale (1D) hochwertige BPNRs entstehen."

Mit ihrer neu entwickelten Strategie haben die Forscher Nanobänder mit einer Breite von durchschnittlich 32 nm und einer Breite von bis zu 1,5 nm hergestellt; die schmalsten unter den bisher gemeldeten BPNRs. Bemerkenswerterweise erreichte ihre Herstellungsmethode eine Ausbeute von bis zu 95%.

Darüber hinaus führten die schmale Breite und die zickzackförmigen Kanten der resultierenden BPNRs zu einem großen Bandabstand, während die nahezu atomar glatten Kanten die Trägerstreuung unterdrückten und zu einer hohen Mobilität führten.

"Wir haben hochwertige, schmale BPNRs mit nahezu atomar glatten Kanten und klar definierten Kantenorientierungen bei hoher Ausbeute durch die sonochmische Schälung der synthetisierten großen BP-Kristalle mit einem leicht vergrößerten Gitterparameter in Längsrichtung erreicht", sagte Chen.

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"Mit den vorbereiteten BPNRs erreichte der Feldeffekttransistor eine Leistung mit einem Ein/Aus-Verhältnis von 1,7×106 und einer Mobilität von 1.506 cm2 V-1 s-1, was die bisher höchste umfassende Leistung unter den FETs auf Basis von BPNRs oder 2D-BP darstellt, die bisher gemeldet wurden."

Im Rahmen ihrer Studie zeigten Chen und seine Kollegen, dass die von ihnen geschaffenen BPNRs auch als nahinfrarotempfänger dienen könnten. Tatsächlich wiesen die schmalen Strukturen eine Empfindlichkeit von 11,2 A/W und eine spezifische Detektivität von 1,1×1011 cm Hz1/2 W-1 auf, was die meisten bestehenden Nahinfrarotdetektoren auf Basis von 1D-Nanomaterialien, 2D-Nanomaterialien und anderen Hybridstrukturen übertrifft.

In Zukunft könnte der von diesem Forschungsteam entwickelte neue Fertigungsansatz weiter verbessert und in realen Umgebungen eingesetzt werden, um die groß angelegte Produktion von hochwertigen BPNRs zu ermöglichen. Dies könnte wiederum den Weg für die Entwicklung kompakter elektronischer und optoelektronischer Geräte ebnen, die deutlich kleiner sind als die heute verfügbaren.

„Im Rahmen unserer zukünftigen Forschung werden wir kontrollierte Strategien entwickeln, um hochwertige BPNRs mit gerichteter Ausrichtung und gleichmäßigen Breiten zu produzieren“, fügte Chen hinzu.

„Solche Strategien sind entscheidend, um aktuelle Herausforderungen bei der Skalierbarkeit und strukturellen Variabilität für BPNRs zu überwinden und letztendlich zu ermöglichen, dass BPNRs zuverlässig in groß angelegte integrierte Schaltkreise integriert werden.“

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Weitere Informationen: Teng Zhang et al, High-quality narrow black phosphorus nanoribbons with nearly atomically smooth edges and well-defined edge orientation, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02314-7.

Journal-Informationen: Nature Materials

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