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张晗教授综述:二维碲烯的研究进展、挑战与展望 精选

已有 2802 次阅读 2020-7-2 15:12 |系统分类:论文交流| 二维碲烯, 光电, 光电探测器, 压电器件, 场效应晶体管

Two-dimensional Tellurium: Progress, Challenges, and Prospects

Zhe Shi, Rui Cao, Karim Khan, Ayesha Khan Tareen, Xiaosong Liu, Weiyuan Liang, Ye Zhang,  Chunyang Ma, Zhinan Guo*, Xiaoling Luo*, Han Zhang*
Nano‑Micro Lett.(2020) 12:99
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00427-z

本文亮点
1. 详细总结了二维碲烯电学,光学,热学以及稳定性在内的重要物理性质
2. 二维碲烯在光电领域中的应用,包括光电探测器,场效应晶体管,压电器件,调制器以及俘能器。
3. 总结了二维碲烯研究中遇到的挑战以及对未来的发展作出了展望
研究背景
自2004年石墨烯被发现以来,二维材料因为其优异的性质迅速成为了世界范围内的研究热点。然而随着研究的推进,二维材料在发展的过程中遇到了新的瓶颈,例如石墨烯的零带隙结构,二维黑磷较差的稳定性,过渡金属硫族化合物较低的载流子迁移率以及低效的制备方法等。因此,急需寻找一种兼具上述材料优点并且可以高效制备的二维材料。
内容简介
自2017年成功制备二维碲以来,因其具有厚度依赖性的带隙、环境稳定性、压电效应、高载流子迁移率和光响应等诸多优异特性,所以在光电探测器、场效应晶体管、压电器件、调制器和俘能器等电子器件应用上具有非常大的潜力。然而,作为二维材料家族中的一个新成员,与其他材料相比,人们对二维Te的认识还比较少。
深圳大学微纳光电子学研究院张晗团队回顾了近年来对二维Te纳米片的研究进展。首先介绍了二维碲的晶体结构和合成方法,其次对其物理性能和应用进行了介绍。最后,总结了面临的挑战和进一步的发展方向。相信,二维碲纳米片的研究热浪很快就会到来,这将为基于二维材料的纳米器件商业化带来巨大的工业启示。
图文导读
二维碲纳米结构

通过第一性原理的计算和实验相结合发现二维碲具有三相(α-,γ-Te)和四方(β-Te)结构,如图1a-c。其形成机制是由Te的多价性决定的。α-Te和γ-Te相分别呈三重和六重配位结构。然而,β-Te相具有三倍和四倍的配位结构,这些发现表明Te具有多种键结构。Te由三角形螺旋中的原子链组成,这些原子链通过六边形阵列中的范德华力堆叠在一起,具有一维晶体结构,而不是分层的二维范德华结构(图1d)。此外,Te原子仅与螺旋链中两个最近相邻的Te原子形成共价键(图1e),这与其他传统二维材料(如石墨烯、BP和TMDs)的结构形成鲜明对比,后者具有层内具有强化学键的层状结构。当沿着x轴观察时,可以看到锯齿层通过范德瓦尔斯力堆叠在一起形成三维结构(图1f)。


图1. (a~c)α、β和γ-Te相的结构。(d~f)Te的分别从z轴、单分子链和x轴观察的晶体结构。

II 二维碲合成方法

二维碲纳米片可以通过多种简便的方法高效合成,其中包括常用的几种合成技术,即物理气相沉积法、分子束外延生长法、溶液合成法、水热法合成和热蒸发,如图Figure 2(a~d)。

图2. (a)物理气相沉积法;(b)分子束外延生长法;(c)溶液合成法(说的不准确);(d)水热法合成法。

III 二维碲在光电领域中的应用

二维碲具有独特的螺旋链结构、良好的环境稳定性、高的载流子迁移率和低成本的合成方法,在高性能的二维材料基电子和光电子器件中具有巨大的应用潜力。

3.1 光电探测器

水热法合成、环境稳定的准二维碲纳米薄膜已被应用在近红外-中红外光电探测器中。作者团队介绍了采用Au/Al2O3光腔基片进一步增强器件的吸收。另外,通过调控Al2O3间隔层的厚度,可以将器件的峰值光响应波长从1.4 μm(13 A/W)调谐到2.4 μm(8 A/W),非零光响应度高达3.4 μm,如图3a所示。在78 K和297 K的温度下测量了作为各种激光波长的函数的响应度(图3b)。响应度在λ=1.7 μm处达到峰值,分别为27 A/W(78 K)和16 A/W(297 K)。在78和297 K时,相应的计算比探测率分别为2.6×1011和2.9×109(图3c)。78 K下比探测率的提高是由于比室温下更有效地抑制了噪声电流,这与比探测率成反比。这些结果证明,溶液法制备的2D-Te纳米片适用于覆盖整个近红外波段的高性能光电探测。

图3. 二维碲中红外探测器。

3.2 场效应晶体管

作者团队介绍了一种基于溶液合成法制备二维碲纳米片的高性能场效应晶体管。当沟道长度为3 μm时,其漏极电流超过了300 mA/mm,开关比约为105。在室当样品厚度约~15 nm时,室温下的场效应迁移率约700 cm2/V/s(图4a)。同时二维碲展出现了优异的空气稳定性,在没有任何封装处理的空气中暴露55天后,漏电流才略有变化,(图4b)。通过进一步减小沟道长度获得超过1.06 A/mm的最大漏极电流(图4c)。

图4. 二维碲场效应晶体管性能。

3.3 压电器件

相比于现有的压电材料,单层以及多层二维碲具有最高的压电应变系数以及较高的功函数,这就使得二维碲在压电器件应用中有着巨大的优势。作者团队介绍了一种基于二维碲制备的压电器件,如图5a以及5b所示。经过周期性的弯曲试验后,获得了290 nA 的闭路电流以及 3 V的开路电压 (图5c,5d)。此外,为了进一步确认二维碲压电器件的性能,在施加一个8 N的压缩力以及10 Hz的驱动频率后,压电器件输出的功率密度高达2.07 mW/cm2,这一功率密度足以同时点亮10个发光二极管。

图5. 基于二维碲制备的压电器件。

3.4 调制器
二维碲具有宽波段响应、吸收,较强的光与物质相互作用效应以及接触的环境稳定性,上述优点确保二维碲可以制备高性能的光调制器。作者团队介绍了一种基于二维碲制备的饱和吸收体 (图6a),产生脉冲序列的频率以及峰背景比分别为15.45 MHz以及53 dB (图6b)。此外,产生的脉冲序列没有明显的波动,展示出其在激光锁模过程中杰出的稳定性。

图6. 二维碲光调制器。

3.5 俘能器

大量的实验以及理论研究表明二维碲具有优越的热电性能,这有利于进一步发展基于二维碲的新一代热电器件。作者团队介绍了一种基于二维碲制备的热电器件,如图7a所示。在入射光功率为3 mW时,热电器件产生的电流高达3 μA,这一数值远大于之前的报道。此外,二维碲也可以应用于太阳能电池并获得了高达20.8%的能量转换效率 (图7b)。

图7. (a)二维碲热电器件示意图。(b)二维碲太阳能电池能量转化效率。

3.6 逻辑门与回路

基于二维碲制备的场效应晶体管具有较高的均匀性,使得其可以进一步应用于逻辑门与回路。作者团队介绍了一种基于P-型二维碲场效应晶体管制备的逻辑门与回路 (图8a、8b)。在Vdd=1以及2 V的情况下获得的增益分别为22以及38。此外,随着在回路中的场效应晶体管数量从35个增加至39个,最大输出电压损失从6%降至3%。

图8. 基于P-型二维碲场效应晶体管制备的逻辑门与回路。

IV 总结

最后本综述对提二维碲发展过程中所面临的挑战和机遇进行了总结:

1. 现有的合成技术对于设备,环境要求较为苛刻,如何实现高效,简易的合成方法有待于进一步探索,特别是开展对二维碲的可控制备。

2. 对于光电器件应用,目前大多数报道都集中在可见光至近红外波段,拓展其响应波段至中红外波段是下一步工作中需要重点探索的。

3. 基于二维碲制备的波导以及自由空间调制器目前报道较少,需要通过进一步研究揭示其调制机制以及提升调制器的性能参数。

4. 拓展二维碲的应用领域,例如高集成度芯片,生物医药,激光,透明电子器件以及显示等。

作者简介

张晗

本文通讯作者

深圳大学 教授

主要研究领域
主要从事低维材料物理与器件研究,包括光纤激光器、非线性光学、光纤通信与电子器件、低维材料信息光电器件、生物光学等研究。

主要研究成果

深圳大学光电工程学院,特聘教授,博导。国家“优青”,基金委重点项目负责人,深圳市创新团队负责人,深圳市青年科技奖获得者,2018、2019全球高被引科学家,美国光学学会会士等。在Advanced Materials, PNAS, Nature Materials, Nature Communication, PhysicReports, Angew. Chem. Int. Ed. Matter, Chem. Soc. Rev.等高影响力学术期刊以第一作者或通讯作者发表论文120余篇,被引22941次,H-index为82。

郭志男

本文通讯作者

深圳大学 副教授

主要研究领域

主要从事二维材料光电传感方面研究。

主要研究成果

近五年发表SCI论文总数60余篇,入选ESI高被引论文11篇,热点论文2篇,其中关于液相剥离黑磷并应用在超快激光领域的工作被OFweek激光网评为2015年世界激光十大进展。SCI总被引数3000余次,H-index为27。申请专利15项,授权发明专利5项,授权实用新型专利2项。先后主持国家自然科学基金(青年)项目、广东省杰出青年科学基金项目、深圳市基础研究学科布局项目等。

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报》编辑部
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