使用黑磷的新型半导体器件的可能性

波长可调红外发光二极管是由柔性聚酰亚胺衬底上的黑磷和二硫化钼异质结构组成。资料来源:Kim hygjin /UC Berkeley

压力和紧张，运用得当，有时可以产生惊人的结果。

这就是由加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系领导的研究人员发现的一种新兴半导体材料——黑磷(BP)——用于制造两种光电器件:发光二极管(LEDs)和光探测器。

根据研究作者Ali Javey的说法，在机械压力下，BP可以被诱导发射或探测到波长范围合适的红外(IR)光，波长从2.3到5.5微米，横跨短波到中波的红外波段，并且在室温下可逆地这样做。林半导体加工研究特聘教授和电气工程教授，博士后研究员金炯镇。哈维还是劳伦斯伯克利国家实验室的资深科学家。

Javey和Kim说，他们的发现意义重大，不仅在于达到这些波长的能力，而且在于可调谐地在一个设备中做到这一点。目前的技术将需要多个庞大的设备和不同的半导体材料来实现类似的结果。

他们在《自然》杂志上描述了他们的发现。

Javey和Kim说，能够在一个设备中使用更广泛的红外光谱，可以帮助满足在光通信、热成像、 健康 监测、光谱学、化学传感等领域日益增长的应用需求。为了证明这种灵活性，研究人员使用他们的一种新设备来检测多种气体。

当柔性衬底弯曲时，柔性衬底上的黑磷发生应变。资料来源:Kim hygjin /UC Berkeley

伯克利领导的研究小组发现，在光电设备中使用薄层BP，并使其承受不同程度的应变，可在出乎意料的大范围内实现可逆可调输出波长。BP和其他半导体材料的输出波长是一种被称为带隙的特性。

光电子器件工作的光谱范围很大程度上取决于其半导体材料的带隙。对于给定的应用，可以使用不同的方法来获得所需的工作波长。例如，合金——不同成分的材料——和应变可以用来调节带隙。虽然这些方法确实有效，但它们产生的设备具有固定的工作波长。

“在我们的工作中，我们可以主动改变黑磷的带隙，这样单个光电探测器或LED就可以在大约2到5微米的范围内改变其工作波长，”Kim说。

“我们可以来回多次，只要我们想，”Kim说，基于BP的设备的可逆可调谐波长。他说，他们利用了BP的“神奇”特性，特别是它在应变下的带隙变化，比传统半导体材料观测到的要大得多。

Javey说:“这个装置本身就有创新，但是我们使用的黑磷材料也有固有的独特特性(带隙和应变敏感性)，我们将这两个关键特性结合起来。”

黑磷是一种像石墨烯一样的二维材料。在一种被称为剥离的过程中，研究人员使用透明胶带将这种材料的纳米薄层剥离，然后将其转移到柔性聚合物基底上，在这种情况下，是聚对苯二甲酸乙二醇(PETG)。

应变的应用可以主动、可逆地调制黑磷电磁波的波长和光子能量。资料来源:Kim hygjin /UC Berkeley

Kim说:“由于它具有机械灵活性，我们可以将其弯曲到所需的半径，并可控制地向BP施加应变。”即弯曲成为一个有效的调节BP带隙的旋钮。

事实上，由于它的褶皱晶格结构，金说，BP显示出独特的应变依赖性质，除了带隙，包括可调谐范德华相互作用和压电。他说，由于BP的薄膜性质，菌株可以用可逆的方式应用到BP上。

在其中一个应用中，研究人员使用了一种叫做非色散红外气体传感的技术。因为每一种气体都有自己的吸收带，也就是它在特定波长吸收的光量，一个输出波长足够的可调谐红外LED可以探测到，例如，人类呼吸排出的二氧化碳。这是因为这种气体吸收的光在4.3微米左右，在2.3到5.5微米的设备范围内。其他可调BP led可检测的气体包括甲烷和水。

BP光电探测器的一个应用可能是热成像。例如，它可以用在夜视镜中，探测任何放热热源，比如人体。这种可调谐的光电探测器将能够在红外波长范围内进行选择性热成像。

Javey说，从材料的角度来看，人们对识别这种波长范围内效率更高的新型半导体很感兴趣。“那时我们开始研究黑磷，因为我们已经知道它有一个与中波长IR重叠的带隙。从那时起，我们研究了如何使用这种材料制造高效的设备，如led和光电探测器。但这里的新特性是可调性——你可以在大波长范围内用应变主动调整设备。”

接下来，Javey说，“我认为这个设备的概念可以应用到光谱的其他部分，甚至可以制造可以在可见区域运行的设备。”例如，如果这些概念和材料能够通过微型化的机电设备以可制造、可扩展的方式结合在一起，就可以实现新型显示器。”

现在被称作半导体器件的种类如下所示。按照其制造技术可分为分立器件半导体、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、存储器等大类，一般来说这些还会被再分成小类。此外，IC除了在制造技术上的分类以外，还有以应用领域、设计方法等进行分类，最近虽然不常用，但还有按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。\x0d\x0a半导体器件的种类： \x0d\x0a一、分立器件\x0d\x0a1、 二极管\x0d\x0aA、一般整流用\x0d\x0aB、高速整流用：\x0d\x0a①FRD（Aast Recovery Diode:高速恢复二极管）\x0d\x0a②HED（Figh Efficiency Diode:高速高效整流二极管）\x0d\x0a③SBD（Schottky Barrier Diode:肖特基势垒二极管）\x0d\x0aC、定压二极管（齐纳二极管）\x0d\x0aD、高频二极管\x0d\x0a①变容二极管\x0d\x0a②PIN二极管\x0d\x0a③穿透二极管\x0d\x0a④崩溃二极管/甘恩二极管/骤断变容二极管\x0d\x0a2、 晶体管\x0d\x0a①双极晶体管\x0d\x0a②FET（Fidld Effect Transistor:场效应管）\x0d\x0aⅠ、接合型FET\x0d\x0aⅡ、MOSFET\x0d\x0a③IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极晶体管)\x0d\x0a3、 晶闸管\x0d\x0a①SCR(Sillicon Controllde Rectifier:硅控整流器)/三端双向可控硅\x0d\x0a②GTO（Gate Turn off Thyristor:栅极光闭晶闸管） \x0d\x0a③LTT（Light Triggered Thyristor:光触发晶闸管）\x0d\x0a\x0d\x0a二、光电半导体\x0d\x0a1、LED（Light Emitting Diode:发光二极管）\x0d\x0a2、激光半导体\x0d\x0a3、受光器件\x0d\x0a①光电二极管（Photo Diode）/太阳能电池（Sola Cell）\x0d\x0a②光电晶体管（Photo Transistor）\x0d\x0a③CCD图像传感器（Charge Coupled Device:电荷耦合器）\x0d\x0a④CMOS图像传感器（complementary Metal Oxide Semiconductor:互补型金属氧化膜半导体）\x0d\x0a4、光耦(photo Relay)\x0d\x0a①光继电器（photo Relay)\x0d\x0a②光断路器（photo Interrupter）\x0d\x0a5、光通讯用器件\x0d\x0a\x0d\x0a三、逻辑IC\x0d\x0a1、通用逻辑IC\x0d\x0a2、微处理器（Micro Processor）\x0d\x0a①CISC(Complex Instruction Set Computer:复杂命令集计算机)\x0d\x0a②RISC(Reduced instruction SET Computer:缩小命令集计算机)\x0d\x0a3、DSP(Digital Signal processor:数字信号处理器件)\x0d\x0a4、AASIC（Application Specific integrated Circuit:特殊用途IC）\x0d\x0a①栅陈列（Gate-Array Device）\x0d\x0a②SC(Standard Cell:标准器件)\x0d\x0a③FPLD(Field programmable Logic Device:现场可编程化逻辑装置)\x0d\x0a5、MPR（Microcomputer peripheral:微型计算机外围LSI）\x0d\x0a6、系统LSI（System LSI）\x0d\x0a\x0d\x0a四、模拟IC（以及模拟数字混成IC）\x0d\x0a1、电源用IC\x0d\x0a2、运算放大器（OP具Amp）\x0d\x0a3、AD、DA转换器（AD DA Converter）\x0d\x0a4、显示器用驱动器IC(Display Driver IC)\x0d\x0a\x0d\x0a五、存储器\x0d\x0a1、DRAM(Dynamic Random Access Memory:动态随机存取存储器)\x0d\x0a2、SRAM(Static Random Access Memory:静态随机存取储器)\x0d\x0a3、快闪式存储器(Flash Memory)\x0d\x0a4、掩模ROM(mask Memory)\x0d\x0a5、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory:强介电质存储器)\x0d\x0a6、MRAM(Magnetic Random Access Memory:磁性体存储器)

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