复旦大学成功实现少层黑磷能带的应力调控

2017-01-11 中国科学报

  复旦大学教授晏湖根课题组采用改进的机械剥离法,制备出面积相对较大(400—10000平方微米)的少层黑磷,并对其进行红外光谱学表征,系统、深入地研究了2~15层(厚度1到8纳米)黑磷的能带结构随着层数变化的演化规律,并且成功实现能带的应力调控。近日,相关研究发表于《自然—通讯》。据悉,这项工作是国际上首次对少层黑磷的红外光谱表征。

  理论计算表明,不论多少层黑磷,都是直接带隙半导体,而且随着层数变化,黑磷的带隙可以在很宽的范围内进行调节。当黑磷从体材料减薄至单层时,带隙覆盖了从可见光到中红外的光谱区域,正好填补了石墨烯(零带隙)和过渡金属硫化物(可见光/近红外带隙)之间的空白。

  研究表明,红外光谱可以通过非破坏的测量方式,准确、方便地确定黑磷的层数和晶体方向。此外,该课题组通过施加单轴应力调控了黑磷的能带结构。以6层黑磷为例,1%的单轴应力可以使其带隙变化幅度达23%,这一结果预示着黑磷在应力传感领域有着广阔的应用前景。

  同时,研究人员还观测到少层黑磷在理论上禁止的红外跃迁,这些跃迁虽然较弱,但仍然能够提供很多关于能带结构的重要信息,比如导带和价带的非对称性和载流子的属性等。

  专家表示,这项研究成果为少层黑磷在红外探测器、调制器以及应力传感器方面的应用奠定了基础,揭示了黑磷在中、长波红外探测器产业领域的巨大潜力。

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