Skalowalna strategia produkuje wysokiej jakości nanorurki z czarnego fosforu do elektroniki

17 września 2025 funkcja

autorstwa Ingrid Fadelli, Phys.org

autor współpracujący

przygotowane przez Sadie Harley, sprawdzone przez Roberta Egana

redaktor naukowy

redaktor współpracujący

Ten artykuł został sprawdzony zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

zweryfikowane faktograficznie

publikacja z recenzją przez naukowców

zaufane źródło

skorygowane

Nanopaski czarnego fosforu (BPNRs), cienkie i wąskie pasy podobne do wstążek z czarnego fosforu, są znane z wyjątkowo korzystnych właściwości elektronicznych, w tym z regulowalnej przerwy energetycznej. Oznacza to zasadniczo, że różnica energetyczna między obszarem, gdzie elektrony są związane (tj. pasowanie walencyjne), a tym, gdzie elektrony poruszają się swobodnie (tj. pasowanie przewodnictwa), może być łatwo kontrolowana poprzez dostosowanie szerokości nanopasków.

Regulowalna przerwa energetyczna jest niezbędna do opracowywania tranzystorów, czyli elementów kontrolujących przepływ prądu elektrycznego przez urządzenia elektroniczne.

Choć kilka poprzednich badań podkreśliło obietnicę zastosowania BPNRs w rozwoju elektroniki, brakuje nadal strategii, które umożliwiłyby niezawodne wytwarzanie ich na dużą skalę.

Naukowcy z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju i innych instytutów wprowadzili niedawno nową skalowalną strategię realizacji wysokiej jakości BPNRs, które są spójne pod względem wielkości, posiadają zdefiniowane krawędzie i wykazują minimalne defekty.

Ich proponowany podejście, opisane w artykule opublikowanym w Nature Materials, opiera się na technice rozdzielania warstw materiałów przy użyciu ultradźwięków w cieczach.

„Nasza grupa badawcza od dawna poświęca się identyfikowaniu idealnych materiałów kanałowych umożliwiających tranzystory z wysoką wydajnością przy zmniejszonym rozmiarze i zużyciu energii," powiedział Phys.org profesor Changxin Chen, który kierował badaniem. „BPNRs oferują zalety jako materiały kanałowe w porównaniu z innymi kandydatami, takimi jak nanorurki węglowe, pasygrafenu i dwuwymiarowy (2D) czarny fosfor (BP). Na przykład BPNRs są w całości półprzewodnikowe, w przeciwieństwie do nanorurek węglowych, które mogą być półprzewodnikowe lub metaliczne.

„Dodatkowo, BPNRs wykazują znakomitą kompromisową relację między mobilnością a przerwą energetyczną w porównaniu z pasmami grafenu. BPNRs również eliminują konieczność przygotowywania dużych obszarów dwuwarstwowych 2D BP, co umożliwia uzyskanie szerokich i szeroko regulowalnych przerw energetycznych."

Przez pewien czas Chen i jego koledzy starali się opracować skalowalną strategię do realizacji wąskich BPNRs o wysokiej jakości, z gładkimi krawędziami i zdefiniowanymi orientacjami. Strategia wytwarzania wprowadzona w ich ostatnim artykule opiera się na nowo wprowadzonej technice ekstrakcji przy użyciu ultradźwięków.

„Najpierw użyliśmy reakcji transportu w krótkim czasie do syntezy kryształów masowych BP z nieznacznie zwiększonym parametrem sieci w kierunku armkowego," wyjaśnił Chen.

„Ten stres pozwolił kryształowi rozpinać się preferencyjnie wzdłuż płaszczyzny krystalicznej prostopadle do kierunku armkowego, a nie wzdłuż innych płaszczyzn. Następnie zastosowaliśmy odpowiednie warunki ultradźwiękowe do rozdzierania kryształów masowych BP, co pozwoliło na uzyskanie wysokiej jakości jednowymiarowych BPNRs."

Dzięki nowo opracowanej strategii, badacze stworzyli wstążki o szerokości średnio 32 nm, które mogą być tak wąskie jak 1,5 nm; najwęższe spośród wszystkich BPNRs zgłoszonych do tej pory. Co więcej, ich metoda wytwarzania wykazała wydajność do 95%.

Ponadto, wąska szerokość i krawędzie zygzakowe uzyskanych BPNRs spowodowały duże przerwy energetyczne, podczas gdy niemal atomowo gładkie krawędzie hamowały rozpraszanie nośników i prowadziły do wysokiej mobilności.

„Osiągnęliśmy wysokiej jakości, wąskie BPNRs o niemal atomowo gładkich krawędziach i zdefiniowanej orientacji krawędzi z wysoką wydajnością dzięki ekstrakcji przy użyciu ultradźwięków z syntetyzowanych masowych kryształów BP z nieznacznie zwiększonym parametrem sieci w kierunku armkowego," powiedział Chen.

Dowiedz się najnowszego w nauce, technice i kosmosie z ponad 100 000 subskrybentów, którzy polegają na Phys.org dzienne spojrzenia. Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje nt. przełomów, innowacji i badań, które mają znaczenie—codziennie lub co tydzień.

„Dzięki przygotowanym BPNRs, wydajność tranzystora z przełączaniem włącz/wyłącz na poziomie 1,7×106 i mobilnością na poziomie 1,506 cm2 V-1 s-1, co stanowi najwyższą kompleksową wydajność wśród FETs opartych na BPNRs lub 2D BP, które do tej pory były zgłaszane."

W ramach swojego badania Chen i jego koledzy pokazali, że stworzone przez nich BPNRs mogą również pełnić funkcję fotodetektorów w podczerwieni. Faktycznie, wąskie struktury wykazały czułość na poziomie 11,2 A/W i specyficzną wykrywalność na poziomie 1,1×1011 cm Hz1/2 W-1, przewyższając większość istniejących detektorów podczerwieni opartych na nanomateriałach 1D, nanomateriałach 2D i innych hybrydowych strukturach.

W przyszłości nowe podejście do produkcji opracowane przez ten zespół badawczy może zostać dalej udoskonalone i wdrożone w ustawieniach rzeczywistych, umożliwiając masową produkcję wysokiej jakości BPNRs. To z kolei może otworzyć drogę do rozwoju kompaktowych urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych, które są znacząco mniejsze niż dostępne obecnie.

"W ramach naszych przyszłych badań, opracujemy kontrolowane strategie produkcji wysokiej jakości BPNR-ów z jednokierunkowym ułożeniem i jednolitą szerokością", dodał Chen.

"Takie strategie są kluczowe dla pokonania obecnych wyzwań związanych z skalowalnością i zmiennością struktury dla BPNR-ów i ostatecznie umożliwią niezawodną integrację BPNR-ów w układy scalone na dużą skalę."

Napisane dla Ciebie przez naszą autorkę Ingrid Fadelli, edytowane przez Sadie Harley, i sprawdzone oraz zrewidowane przez Roberta Egana - ten artykuł jest wynikiem starannej ludzkiej pracy. Polegamy na czytelnikach takich jak Ty, aby zachować niezależną publicystykę naukową przy życiu. Jeśli ta relacja ma dla Ciebie znaczenie, prosimy o rozważenie darowizny (szczególnie co miesiąc). Dostaniesz konto bez reklam jako podziękowanie.

Więcej informacji: Teng Zhang et al, Wysokiej jakości wąskie nanowstęgi fosforu czarnego o niemal atomowo gładkich krawędziach i dobrze zdefiniowanej orientacji krawędzi, Materiały Nature (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02314-7.

Informacje o czasopiśmie: Nature Materials

© 2025 Sieć Science X