Schalbare strategie produceert hoogwaardige zwarte fosfor nanoribbons voor elektronica

17 september 2025 kenmerk

door Ingrid Fadelli, Phys.org

contribuerende schrijver

bewerkt door Sadie Harley, beoordeeld door Robert Egan

wetenschappelijk redacteur

redacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

gecontroleerd op feiten

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

nagekeken

Zwarte fosfor nanoribbons (BPNRs), dunne en smalle lintachtige strips van zwarte fosfor, staan bekend om hun zeer gunstige elektronische eigenschappen, waaronder een afstembaar bandgat. Dit betekent in principe dat het energieverschil tussen het gebied waar elektronen samen gebonden zijn (d.w.z. valentieband) en dat waar elektronen vrij bewegen (d.w.z. geleidingsband) eenvoudig kan worden gecontroleerd door de breedte van de nanoribbons aan te passen.

De afstembare bandgap is essentieel voor de ontwikkeling van transistors, de componenten die de stroom van elektrische stroom regelen door elektronische apparaten.

Hoewel verschillende eerdere onderzoeken het potentieel van BPNRs voor de ontwikkeling van elektronica hebben benadrukt, ontbreken nog steeds strategieën die hun betrouwbare fabricage op grote schaal mogelijk maken.

Onderzoekers aan de Shanghai Jiao Tong Universiteit en andere instituten hebben onlangs een nieuwe schaalbare strategie geïntroduceerd voor de realisatie van hoogwaardige BPNRs die consistent van formaat zijn, goed gedefinieerde randen hebben en minimale defecten vertonen.

Hun voorgestelde aanpak, uiteengezet in een paper gepubliceerd in Nature Materials, vertrouwt op een techniek ontworpen om gelaagde materialen uit elkaar te halen met behulp van ultrasone geluidsgolven in vloeistoffen.

'Onze onderzoeksgroep heeft zich al lange tijd ingezet om ideale kanaalmaterialen te identificeren om hoogwaardig werkende veldeffecttransistors met een verminderde grootte en energieverbruik mogelijk te maken,' vertelde professor Changxin Chen, die het onderzoek leidde, aan Phys.org.

'BPNRs bieden voordelen als kanaalmaterialen ten opzichte van andere kandidaten zoals koolstofnanobuizen, grafeen nanoribbons en tweedimensionaal (2D) zwart fosfor (BP). Zo zijn BPNRs volledig halfgeleidend, in tegenstelling tot koolstofnanobuizen, die halfgeleidend of metaalachtig kunnen zijn.

'Bovendien vertonen BPNRs een superieure balans tussen mobiliteit en bandgap dan grafeen nanoribbons. BPNRs vermijden ook de noodzaak om grootgebieds, paarlaags 2D BP voor te bereiden, waardoor aanzienlijke en breed afstembare bandgaps worden geboden.'

Chen en zijn collega's proberen al geruime tijd om een schaalbare strategie te bedenken om hoogwaardige en smalle BPNRs te realiseren die gladde randen en goed gedefinieerde oriëntaties hebben. De fabricatiestrategie die in hun recente paper is geïntroduceerd, is gebaseerd op een nieuw geïntroduceerde sonochemische exfoliatietechniek.

'We gebruikten eerst een kort transportproces om bulk BP-kristallen te synthetiseren met een iets vergrote roosterparameter langs de armchair richting,' legde Chen uit.

'Deze spanning zorgt ervoor dat het kristal zich bij voorkeur ontvouwt langs het kristalvlak loodrecht op de armchair richting in plaats van andere vlakken. Vervolgens pasten we geschikte ultrasone omstandigheden toe om bulk BP-kristallen open te vouwen, waardoor ééndimensionale (1D) hoogwaardige BPNRs ontstonden.'

Met hun nieuw bedachte strategie hebben de onderzoekers nanoribbons gecreëerd met een breedte die gecentreerd is op 32 nm en die zo smal kan zijn als 1,5 nm; de smalste onder de tot nu toe gerapporteerde BPNRs. Opmerkelijk genoeg vertoonde hun fabricatiemethode een opbrengst tot 95%.

Bovendien leidden de smalle breedte en zigzagranden van de resulterende BPNRs tot een groot bandgap, terwijl hun bijna atomaire gladde randen het dragerverstrooiing onderdrukten en leidde tot een hoge mobiliteit.

'We hebben hoogwaardige, smalle BPNRs met bijna atomaire gladde randen en goed gedefinieerde randoriëntaties met een hoge opbrengst bereikt door de sonochemische exfoliatie van de gesynthetiseerde bulk BP-kristallen met een iets vergrote roosterparameter langs de armchair richting,' aldus Chen.

Ontdek het laatste op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100,000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek dat er toe doet—dagelijks of wekelijks.

'Met de voorbereide BPNRs behaalden we transistoren met een verhouding tussen aan en uit van 1.7×106 en mobiliteit van 1,506 cm2 V-1 s-1, wat de hoogste uitgebreide prestatie vertegenwoordigt onder de FET's gebaseerd op BPNRs of 2D BP tot nu toe gerapporteerd.'

Als onderdeel van hun studie toonden Chen en zijn collega's aan dat de BPNRs die ze hadden gecreëerd ook dienst konden doen als nabij-infrarood fotodetectoren. Sterker nog, de smalle structuren vertoonden een responsiviteit van 11,2 A/W en een specifieke detectiegevoeligheid van 1.1×1011 cm Hz1/2 W-1, waarmee de meeste bestaande nabij-infrarood detectoren gebaseerd op 1D nanomaterialen, 2D nanomaterialen en andere hybride structuren werden overtroffen.

In de toekomst zou de nieuwe fabricageaanpak bedacht door dit onderzoeksteam verder verbeterd kunnen worden en ingezet worden in real-world omgevingen, waardoor de grootschalige productie van hoogwaardige BPNRs mogelijk wordt. Dit zou op zijn beurt de weg kunnen effenen voor de ontwikkeling van compacte elektronische en opto-elektronische apparaten die aanzienlijk kleiner zijn dan diegene die vandaag beschikbaar zijn.

'Als onderdeel van ons toekomstig onderzoek zullen we gecontroleerde strategieën ontwikkelen om hoogwaardige BPNRs te produceren met unidirectionele uitlijning en uniforme breedtes,' voegde Chen toe.

'Dergelijke strategieën zijn cruciaal voor het overwinnen van de huidige uitdagingen op het gebied van schaalbaarheid en structurele variabiliteit voor BPNRs en zullen uiteindelijk BPNRs in staat stellen om betrouwbaar geïntegreerd te worden in grootschalige geïntegreerde schakelingen.'

Geschreven voor u door onze auteur Ingrid Fadelli, bewerkt door Sadie Harley, en gecontroleerd en beoordeeld door Robert Egan—dit artikel is het resultaat van zorgvuldig mensenwerk. We vertrouwen op lezers zoals u om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek in leven te houden. Als deze berichtgeving belangrijk voor u is, overweeg dan een donatie (vooral maandelijks). U krijgt een advertentievrij account als bedankje.

Meer informatie: 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.

Tijdschriftinformatie: Nature Materials

© 2025 Science X Network