Skalbar strategi producerar högkvalitativa svarta fosfor nanoribbor för elektronik

Den 17 september 2025 av Ingrid Fadelli, Phys.org, medförfattare, redigerad av Sadie Harley, granskad av Robert Egan, vetenskaplig redaktör, redaktionsmedlem. Denna artikel har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörerna har framhävt följande attribut för att säkerställa trovärdigheten i innehållet: faktagranskad, peer-reviewad publikation, pålitlig källa, korrekturläst. Svarta fosfor nanoribborna (BPNRs), tunna och smala remsor av svart fosfor, är kända för att uppvisa mycket fördelaktiga elektroniska egenskaper, inklusive en justerbar bandgap. Detta innebär i huvudsak att energiskillnaden mellan området där elektroner är bundna tillsammans (dvs. valensband) och där elektronerna rör sig fritt (dvs. ledningsband) lätt kan kontrolleras genom att justera bredden på nanoribbonerna. En justerbar bandgap är avgörande för utvecklingen av transistorer, de komponenter som styr flödet av elektrisk ström genom elektroniska enheter. Medan flera tidigare studier har framhållit löftet hos BPNRs för utvecklingen av elektronik, saknas fortfarande strategier som kan möjliggöra deras pålitliga tillverkning i stor skala. Forskare vid Shanghai Jiao Tong University och andra institut introducerade nyligen en ny skalbar strategi för att uppnå högkvalitativa BPNRs som är konsistenta i storlek, har tydligt definierade kanter och uppvisar minimala defekter. Deras föreslagna tillvägagångssätt, beskrivet i en artikel publicerad i Nature Materials, är baserat på en teknik som är utformad för att skala upp lagermaterial genom att använda ultraljudsvågor i vätskor. "Vår forskargrupp har länge ägnat sig åt att identifiera idealiska kanalmaterial för att möjliggöra högpresterande fälteffekttransistorer med minskad storlek och energiförbrukning," berättade professor Changxin Chen, som ledde forskningen, för Phys.org. "BPNRs erbjuder fördelar som kanalmaterial framför andra kandidater som kolnanorör, grafennanoribboner och tvådimensionellt (2D) svart fosfor (BP). Till exempel är BPNRs helt halvledande, till skillnad från kolnanorör, som kan vara halvledande eller metalliska. Dessutom uppvisar BPNRs en överlägsen kompromiss mellan rörlighet och bandgap än grafennanoribboner. BPNRs undviker också behovet av att förbereda stora områden, fåskiktiga 2D BP, vilket ger betydande och brett justerbara bandgap." Under en tid har Chen och hans kollegor försökt att utarbeta en skalbar strategi för att realisera högkvalitativa och smala BPNRs som har släta kanter och tydligt definierade orienteringar. Tillverkningsstrategin som introducerades i deras senaste artikel är baserad på en nyintroducerad sono-kemisk exfolieringsteknik. "Vi använde först en kortvägstransportreaktion för att syntetisera bulk BP-kristaller med en något förstorad gitterparameter längs armstolsriktningen," förklarade Chen. "Denna stress möjliggör att kristallen unzippas företrädesvis längs kristallplanet vinkelrätt mot armstolsriktningen snarare än andra plan. Sedan tillämpade vi lämpliga ultraljudsvillkor för att unzip bulk BP-kristaller, vilket resulterade i en dimensionell (1D) högkvalitativ BPNRs." Med sin nytänkta strategi skapade forskarna nanoribbor med en bredd på 32 nm som kan vara så smala som 1,5 nm; de smalaste bland BPNRs som hittills rapporterats. Anmärkningsvärt uppvisade deras tillverkningsmetod en avkastning på upp till 95%. Dessutom resulterade den smala bredden och zigzagkanterna hos de resulterande BPNRs i ett stort bandgap, medan deras nästan atomiskt släta kanter motverkade bärarespridning och ledde till hög rörlighet. "Vi uppnådde högkvalitativa, smala BPNRs med nästan atomiskt släta kanter och tydligt definierad kantorientering med hög avkastning genom den sono-kemiska exfolieringen av de syntetiserade bulk BP-kristallerna med en något förstorad gitterparameter längs armstolsriktningen," sa Chen. Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Anmäl dig för vårt kostnadsfria nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något – dagligen eller veckovis. "Med de förberedda BPNRs, fälteffekttransistorprestanda med en på/av-förhållande på 1,7 × 106 och rörlighet på 1 506 cm2 V-1 s-1, vilket representerar den högsta heltäckande prestandan bland FET:er baserade på BPNRs eller 2D BP som hittills rapporterats." I sin studie visade Chen och hans kollegor att BPNRs de skapat också kunde fungera som nära infraröda fotodetektorer. Faktum är att de smala strukturerna uppvisade en responsivitet på 11,2 A/W och specifik detektivitet på 1,1 × 1011 cm Hz1/2 W-1, vilket överträffade de flesta befintliga nära infraröda detektorer baserade på 1D-nanomaterial, 2D-nanomaterial och andra hybridstrukturer.I framtiden kan det nya tillverkningsmetoden som utvecklats av detta forskarlag förbättras ytterligare och användas i verkliga inställningar, vilket möjliggör produktion i stor skala av högkvalitativa BPNRs. Detta kan i sin tur banar väg för utvecklingen av kompakta elektroniska och optoelektroniska enheter som är betydligt mindre än de som finns tillgängliga idag. "I vår framtida forskning kommer vi att utveckla kontrollerade strategier för att producera högkvalitativa BPNRs med enriktad inriktning och jämn bredd," tillade Chen. "Dessa strategier är avgörande för att övervinna nuvarande utmaningar i skalbarhet och strukturell variation för BPNRs och kommer i slutändan att möjliggöra att BPNRs integreras på ett pålitligt sätt i storskaliga integrerade kretsar." Skrivet för dig av vår författare Ingrid Fadelli, redigerad av Sadie Harley, och faktagranskad av Robert Egan - den här artikeln är resultatet av omsorgsfullt mänskligt arbete. Vi förlitar oss på läsare som du för att hålla oberoende vetenskapsjournalistik vid liv. Om denna rapportering är viktig för dig, vänligen överväg en donation (särskilt månatlig). Du kommer att få ett annonsfritt konto som tack. Mer information: 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. Nature Materials © 2025 Science X Network