[发明专利]一种基于金-黑磷烯的负微分电阻场效应晶体管及其制备

说明书

本发明涉及一种基于金‑黑磷烯的负微分电阻场效应晶体管及其制备，所述的负微分电阻场效应晶体管包括构成源极和漏极的两个金电极，位于两个金电极之间的中间散射区的二维层状材料黑磷烯，以及位于所述黑磷烯两边的栅极，其中，所述黑磷烯的两端分别与所述两个金电极接触耦合。与现有技术相比，本发明采用的黑磷烯具有独特的直接带隙半导体的电子特性，沿着锯齿(zigzag)型方向排列的黑磷烯与金电极(100)表面接触，可以形成独特的电子整流和负微分电阻效应，此外，负微分电阻效应在门电压的作用下也比较稳定，与器件的半导体衬底材料无关，该负微分电阻晶体器件优良，结构新颖，可以广泛应用于半导体纳米晶体器件当中。

技术领域

本发明涉及一种负微分电阻场效应晶体管，尤其是涉及一种基于金-二维层状材料黑磷烯的负微分电阻场效应晶体管及其制备。

背景技术

半导体晶体管是人类历史上最伟大的发明之一。它由三位诺贝尔奖获得者威廉姆·肖克莱(William Shockley)博士、沃特·巴丁(Walter Bardeen)博士和约翰·布拉顿(John BraTtain)博士于1947年12月23日在美国新泽西州的贝尔实验室里发明的。因为半导体晶体管彻底改变了原来电子线路的结构，再加上单个半导体晶体的体积非常小，在这种情况下，集成电路以及超级集成电路产生了，制造像高速巨型电子计算机之类的高精密装置成为现实。科学家和工程师预测到将来单个硅基半导体晶体管的实际尺寸以及它们之间的实际距离将小于一个电子的波长。量子力学告诉我们一个电子的波长是10nm左右，当晶体管的尺寸小于这个长度时量子尺度效应(例如隧道效应)将大大影响晶体管的工作参数甚至使晶体管失效。从制造工艺上讲，传统的用于制造晶体管的激光刻蚀技术会在晶体管尺寸小于激光波长时失效。这些将最终制约传统硅基电子器件的尺寸和集成度，从理论上和实验角度上讲硅基半导体晶体管都将面临不可逾越障碍。在这种背景下，以分子电子学(molecular electronics有时也叫moletronics)为代表的至下而上构建下一代的电子器件吸引了大量的研究兴趣。分子电子学是一门交叉学科，它跨越物理、化学和材料科学等学科。分子电子学是纳米技术的分支，可望成为传统硅基电子器件的代替品：有机分子器件的研究在这种背景下应孕而生。

二维层状材料由于石墨烯(Graphene)的成功制备而引起了科学界极大的研究兴趣，近年来成为了纳米科学研究的热点。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂窝状的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯曾经一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，因为前苏联物理学泰斗朗道等人早已证明，二维材料的热运动涨落会破坏自身的结构，而实验上制备石墨烯的种种失败尝试似乎也在佐证着这一结论。直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在。2014年，中国科大陈仙辉教授课题组与复旦大学张远波教授课题组合作，利用胶带进行机械剥落的方法，从块状黑磷中成功制备出了二维黑磷单晶。石墨烯和二硫化钼之后，黑磷烯的成功制备标志着其正式进入了二维层状半导体材料的家族。黑磷无论多少层是直接带隙半导体，相比之下，石墨烯的带隙为零，而二硫化钼块材为间接带隙，单层为直接带隙，因此，二维黑磷材料有望成为光电材料和纳米电子器件强有力的候选。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于金-二维层状材料黑磷烯的负微分电阻场效应晶体管及其制备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于金-黑磷烯的负微分电阻场效应晶体管，包括构成源极和漏极的两个金电极，位于两个金电极之间的中间散射区的二维层状材料黑磷烯，以及位于所述黑磷烯两边的栅极，其中，所述黑磷烯的两端分别与所述两个金电极接触耦合。由于黑磷烯独特的直接带隙p型半导体的电子特性，其与金电极(100)表面接触形成了独特的负微分电阻效应。