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2014 년 이후 2 차원(2D) 층 반도체의 최신 멤버 중 하나인 흑인 (black phosphorus, BP)은 높은 캐리어 이동도와 ON/OFF 전류 비를 가진 트랜지스터용 2D 재료의 관점에서 재발견되었다. 그래핀과 전이 금속 디칼코게나이드와 달리 BP는 높은 이방성 특성과 특수 광학 응답 특성 외에도 0.3 eV의 벌크 값에서 단층 값 ~2.0 eV에 이르는 두께 조정 가능한 직접 밴드 갭을 가지고 있다. 이러한 매혹적인 특성으로 인해 BP는 (광) 전자 장치 제작뿐 아니라 리튬 이온 배터리, 태양 전지, 센서, 열전기 장치, 수퍼 커패시터 및 광선 요법과 같은 많은 분야에서도 매력적인 잠재력을 입증했다. 그러나 BP의 적용을 방해하는 근본적인 장애는 대기 조건 하에서 안정성이 부족하다는 것이다. BP는 산소와 물에 매우 반응하여 전자 및 광학 특성이 급속히 저하된다. 중국의 한 연구팀이 안정성 및 트랜지스터 성능 향상된 금속 이온 변형된 흑인의 돌파구를 보고했다 (Advanced Materials, 'Metal-Ion-Modified Black Phosphorus with Enhanced Stability and Transistor Performance'). 금속 이온으로 BP를 변형하면 전자 및 광전자 공학에서 BP의 실제 응용을 방해하는 이전의 불안정성 문제가 해결되었다. 동시에 원래의 우수한 수송 특성을 향상시킨다. 연구팀은 금속 이온의 변형 과정을 입증하고 안정성과 트랜지스터 성능을 향상시키기 위해 은 이온을 선택했다. 양이온- pi; 상호 작용을 통해 Ag 이온은 BP 표면에 자발적으로 흡착할 수 있다. 밀도 함수 이론 (DFT) 계산을 수행하면 은 이온과 BP의 결합 에너지는 -41.8cal로 안정한 BPAg(+)를 얻을 수 있을 정도로 강하다는 것을 알 수 있다. 연구팀은 원자힘 현미경 (AFM)을 수행하여 BP와 BPAg(+)의 주변 안정성을 비교했다. BP와 BPAg(+)의 표면 형태학적인 변화에 기초하여 BPAg(+)의 품질은 완벽하게 보존되었고 95 % 습도를 가진 공기에 5 일 노출 후에도 명확한 기포, 부식 또는 분해가 관찰되지 않음을 발견했다. 은 이온으로 변형된 BP의 수송 거동을 연구한 후, 팀은 BP 및 BPAg(+)를 기반으로 한 전계 효과 트랜지스터 (FET) 소자를 제작했다. 이 Ag+ - 변형 BP FET는 원래의 BP 소자보다 2 배 이상 높은 796에서 1666 cm2 V-1 s-1의 홀 이동도를 보였으며 5.9 × 104에서 2.6 × 106까지의 ON/OFF 비를 보였다. 이는 원래 값의 44 배이다. 위에서 언급한 Ag+의 상세한 조사를 토대로, 과학자들은 Mg2+, Fe3+, Hg2+의 세 가지 금속 이온에 대한 추가 연구를 수행했다. Ag+와 같이 세 가지 금속 이온 모두 BP의 안정성을 향상시키고 변형 후 BP 시트는 습한 공기에서 최소 3 일 동안 안정하다. 세 가지 금속 이온 모두 BP FET에서 전자가 부족한 중간 역할을 한다. 특히, Fe3+로 2 시간 동안 변형시킨 후에, BP의 원래 양극성 수송 거동은 아마도 Fe3+의 보다 양의 전하 때문에 p 형으로 변화한다. 그럼에도 불구하고 세 가지 금속 이온 모두 BP FET의 전송 성능을 향상 시키더라도 Ag+가 제공하는 성능이 가장 우수하다. 연구팀은 BP와 안정한 BP FET의 안정성과 트랜지스터 성능을 향상시키는 간단하고 효과적인 방법이 전자 및 광전자 장치에 유망한 잠재력을 가진 흑인을 제공할 것이라고 결론 지었다. |
