二维半导体发光概述.docx

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 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??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。 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。 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1.42Aring;。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 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