La stratégie évolutive produit des nanoribbons de phosphore noir de haute qualité pour l’électronique

Les nanoribbons au phosphore noir (BPNR), des bandes minces et étroites en forme de ruban de phosphore noir, sont connues pour présenter des propriétés électroniques très avantageuses, y compris une bande interdite accordable. Cela signifie essentiellement que la différence d’énergie entre la région où les électrons sont liés ensemble (c’est-à-dire la bande de valence) et que où les électrons se déplacent librement (c’est-à-dire la bande de conduction) peuvent être facilement contrôlés en ajustant la largeur des nanoribbons.

Une bande interdite réglable est essentielle pour le développement de transistors, les composants qui contrôlent l’écoulement du courant électrique à travers des dispositifs électroniques.

Bien que plusieurs études antérieures aient mis en évidence la promesse des BPNR pour le développement de l’électronique, les stratégies qui pourraient permettre à leur fabrication fiable à grande échelle ne fasse encore défaut.

Des chercheurs de l’Université de Shanghai Jiao Tong et d’autres instituts ont récemment introduit une nouvelle stratégie évolutive pour la réalisation de BPNR de haute qualité qui sont cohérents, ont des bords bien définis et présentent des défauts minimaux.

Leur approche proposée, décrite dans un article publié dans Matériaux de la naturerepose sur une technique conçue pour éclater les matériaux en couches en tirant parti des ondes sonores ultrasoniques dans les liquides.

“Notre groupe de recherche a longtemps été consacré à l’identification des matériaux de canal idéaux pour permettre des transistors à effet de champ à haute performance avec une taille et une consommation d’énergie réduites”, a déclaré le professeur Changxin Chen, qui a dirigé la recherche, à Phys.org.

“Les BPNR offrent des avantages en tant que matériaux de canal sur d’autres candidats tels que les nanotubes de carbone, les nanoribbons de graphène et le phosphore noir bidimensionnel (2D) (BP). Par exemple, les BPNR sont entièrement semi-conducteurs, contrairement aux nanotubes de carbone, qui peuvent être semi-conducteurs ou métalliques.

“De plus, les BPNR présentent un compromis supérieur entre la mobilité et la bande interdite que les nanoribbons de graphène. Les BPNR évitent également la nécessité de préparer des bandes d’artisanat à grande région, à quelques couches, fournissant des arands de grande envergure et largement accordables.”

Depuis un certain temps, Chen et ses collègues ont essayé de concevoir une stratégie évolutive pour réaliser des BPNR de haute qualité et étroits qui ont des bords lisses et des orientations bien définies. La stratégie de fabrication introduite dans leur article récent est basée sur une technique d’exfoliation sonochimique nouvellement introduite.

“Nous avons d’abord utilisé une réaction de transport à court terme pour synthétiser les cristaux BP en vrac avec un paramètre de réseau légèrement élargi le long de la direction du fauteuil”, a expliqué Chen.

“Cette contrainte permet au cristal de décompresser préférentiellement le long du plan de cristal perpendiculaire à la direction du fauteuil plutôt qu’à d’autres plans. Ensuite, nous avons appliqué des conditions ultrasoniques appropriées pour dézipser des cristaux BP en vrac, donnant ainsi des BPNR de haute qualité (1D) de haute qualité.”

Avec leur stratégie nouvellement conçue, les chercheurs ont créé des nanoribbons avec une largeur centrée à 32 nm qui peut être aussi étroite que 1,5 nm; le plus étroit parmi les BPNR signalés à ce jour. Remarquablement, leur méthode de fabrication présentait un rendement allant jusqu’à 95%.

De plus, la largeur étroite et les bords en zigzag des BPNR résultants ont donné naissance à une grande bande interdite, tandis que leurs bords presque atomiquement lisses ont supprimé la diffusion des porteurs et ont conduit à une mobilité élevée.

“Nous avons atteint des BPNR étroits et étroits avec des bords presque atomiquement lisses et une orientation de bord bien définie à haut rendement par l’exfoliation sonochimique des cristaux de BP en vrac synthétisé avec un paramètre de réseau légèrement élargi le long de la direction du fauteuil”, a déclaré Chen.

“Avec les BPNR préparés, les performances du transistor à effet de champ avec un rapport ON / OFF de 1,7 × 10⁶ et mobilité de 1 506 cm² V^-1 s^-1représentant la performance complète la plus élevée parmi les FET basées sur les BPNR ou 2D BP rapportées jusqu’à présent. “

Dans le cadre de leur étude, Chen et ses collègues ont montré que les BPNR qu’ils ont créés pouvaient également servir de photodétecteurs presque infrarouges. En fait, les structures étroites présentaient une réactivité de 11,2 A / W et une détectivité spécifique de 1,1 × 10¹¹ CM HZ^1/2 W^-1surperformant la plupart des détecteurs proche infrarouge existants basés sur des nanomatériaux 1D, des nanomatériaux 2D et d’autres structures hybrides.

À l’avenir, la nouvelle approche de fabrication conçue par cette équipe de recherche pourrait être améliorée davantage et déployée dans des contextes réels, permettant la production à grande échelle de BPNR de haute qualité. Cela pourrait à son tour ouvrir la voie au développement de dispositifs électroniques et optoélectroniques compacts qui sont nettement plus petits que ceux disponibles aujourd’hui.

“Dans le cadre de nos futures recherches, nous développerons des stratégies contrôlées pour produire des BPNR de haute qualité avec un alignement unidirectionnel et des largeurs uniformes”, a ajouté Chen.

“De telles stratégies sont cruciales pour surmonter les défis actuels de l’évolutivité et de la variabilité structurelle des BPNR et permettra finalement à des BPNR d’être intégrés de manière fiable dans des circuits intégrés à grande échelle.”

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