二维半导体发光

二维半导体发光

摘要：现有的LED价格较高，新型二维半导体原子级厚度二维晶体材料，如石墨烯、硅烯和锗烯等，展现出卓越的性能，被广泛应用于信息、能源器件。然而，这些碳族二维晶体也暴露了严重的弱点—零带隙，严重影响了它们在电子、光电子器件中的应用。显然，二维半导体带隙、响应光谱波段存在严重缺失，影响力响应器件的发展。新型的二维晶体材料，如：硅碲化物、硫化物、黑磷、MoS2等材料特有的性能可克服石墨烯的缺点。

关键字：LED、二维半导体、显示屏、半导体

1.引言

市面上能买到的LED 灯，虽然耗电量仅为白炽灯的6%，使用寿命长达 5 万小时以上，价格也相对较高。新型二维半导体研究上取得重要进展，有望制造出新型材料，极大降低LED 灯生产成本，该研究成果在线发表在化学与材料等学科顶尖期刊《德国应用化学》上，并被Nature、NanoWerk、新材料在线等学术媒体进行了亮点报道。

2014 年诺贝尔物理学奖颁给了蓝色发光二极管（LED）发明者，蓝光LED 研发最大的难点已经被攻克。该校纳米光电材料研究所曾海波所长介绍说，LED 基本结构是一块电致发光的半导体材料芯片，目前用于生产制作的主要材料是氮化镓。这种需要真空高温制备的半导体材料，价格高昂，是造成LED 灯价格过高、无法推广的重要原因。近年来，取材普遍的石墨烯等新性材料展现出卓越的性能，非常适合用于制造包括LED 在内的信息、能源器件。然而，这些新材料也有致命的缺点——金属或半金属属性，而用于生产的材料必须具有半导体属性，如何改变这些材料的属性成了材料学界难以攻克的瓶颈。曾海波介绍说，该校设计的新材料单层砷烯和锑烯，只有一个原子厚，具备半导体属性。这种超薄材料稳定性强、性能优越，应用前景广泛。南理工材料学院严仲老师介绍说，“新材料一旦用于应用，这些可穿戴设备不仅性能会突飞猛进，而且会更加轻薄小巧，价格也会更加亲民。”

近年来，原子级厚度二维晶体材料，如石墨烯、硅烯和锗烯等，展现出卓越的性能，被广泛应用于信息、能源器件。然而，这些碳族二维晶体也暴露了严重的弱点—零带隙，严重影响了它们在电子、光电子器件中的应用。此外，硫化物

二维晶体带隙小于2.0eV，而氮化硼白石墨烯带隙则高达6.0eV。显然，二维半导体带隙、响应光谱波段存在严重缺失，影响力响应器件的发展。

2.石墨烯简介

石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2 /（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。

2.1.原子结构

石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯，见图1。

图1石墨烯构建各种碳材料示意图

2.2.石墨烯分类

单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA 堆垛，AA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

多层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管（ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路.

石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。

石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微

子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。发展简史。第一：石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了石墨烯。

3.新型二维晶体材料

3.1.硅碲化物

美国化学家研发出了一种新方法，使用硅碲化物制备出拥有多层结构的二维半导体纳米材料，这些材料拥有不同的形状和排列方向，可在多个领域大显身手。布朗大学的科学家使用硅碲化物制造出了纳米带和纳米板。硅碲化物是一种纯净的P型半导体（携带正电荷），广泛出现在很多电子和光学设备中，它们的层级结构能吸收锂和镁，这意味着可用来制造电池的电极。该研究的领导者、布朗大学化学系助理教授克里斯蒂·克斯基表示，硅基化合物是现代电学处理过程的基石，硅碲化物是其中一员，我们发明的全新方法可用来制造拥有多层结构的二维纳米材料。克斯基团队通过气相沉积方法在一个管式炉中合成出了这些新材料。当硅和碲化物在管子中被加热时，会蒸发并反应，制造出一种前体化合物，这种前体化合物接着被氩气沉积在基座上，随后，硅碲化物就从该前体化有不同的结构，其晶格也有不同的排列方式，因此拥有不同的属性和用途。研究人员也证明，可以使用不同的基座，将不同材料掺杂（在掺杂过程中，细小的杂质被引入材料内，从而改变材料的电学属性）进入这些纳米材料内。在最新研究中，研究人员通过实验证实，当硅碲化物在蓝宝石基座上生长时，可向其中掺杂铝，这一过程可以将材料从P型半导体变成N型半导体（携带负电荷）。研究人员还指出，新方法得到的材料不仅稳定，而且容易被改进。他们计划对得到的纳米材料的电学和光学属性进行测试。

3.2.硫化物二维半导体材料

3.2.1.ReS2二维半导体材料

最近，中科院半导体所超晶格国家重点实验室由中美联合培养的博士后