C3N双层的堆叠结构和带隙。α’和β’堆积的C3Nbilayer的煤层气和VBM的结构和部分电荷密度。C3N双层的结合能(黑色方块)和带隙(红色圆圈)是扭转角的函数。用单层C3N(黑色曲线)、具有AB’堆叠的C3N双层(红色曲线)和具有AA’堆叠的C3N双层(蓝色曲线)制造的场效应晶体管的IDS-VG曲线。(T=4K) d，具有蜂窝状网格的AA’堆积区域的原子分辨率图像。e，显示具有AA’堆积的C3N双层的电子带隙的代表性dI/dV光谱。六边形晶格AB’堆积区的原子分辨率图像。g，显示具有AB’堆积的C3N双层的电子带隙的代表性dI/ dV光谱。功劳:魏等人硅基晶体管在速度和性能方面都在慢慢接近极限。因此，工程师和材料科学家一直在努力寻找能够开发更快、性能更好的器件的替代材料。碳基材料是发展下一代电子产品的最有利的候选材料之一，因为它们具有许多优点，包括高机械强度和良好的导电性和导热性。石墨烯是这些材料中最有前途的一种，它也表现出很高的柔韧性和透明度。
尽管石墨烯有其优点，但它没有带隙，这是晶体管内部沟道材料的基本要求。近年来，一些工程师因此一直在进行研究，评估一种类似石墨烯的替代二维(2D)材料，称为C3N。C3N由均匀分布的碳和氮原子组成，排列成类似石墨烯的结构。
澳大利亚昆士兰大学、华东师范大学、上海微系统与信息技术研究所和中国其他研究所的研究人员最近证明，可以通过改变2D C3N双层的堆叠顺序或对它们施加电场来设计它们的带隙。他们发表在《自然电子》杂志上的论文可能会为开发性能更好的C3N设备铺平道路。
进行这项研究的三名研究人员·康、黛布拉·j·塞尔斯和袁庆红通过电子邮件告诉Tech Xplore:“C3N具有类似于石墨烯的吸引人的特性，但除此之外，还有中等大小的带隙。“因此，我们认为我们可能能够通过形成不同的双层并通过施加电场来改变其环境来调整C3N单层的特性。”
外加电场诱导的C3N双层结构的带隙工程。外部电场作用下AB’堆积的C3N双层煤层气和VBM电荷密度分离示意图。在不同的固定底栅电压(Vb)下，具有AB’堆叠的C3N双层的电阻是顶栅电压(Vt)的函数。c、实验测量的(红点)和计算的(黑色方块)能量带隙随平均电位移场的变化。不同位移场作用下C3N双层膜的吸收光谱。功劳:魏等康、塞尔、袁及其同事进行了一系列理论计算和实验，旨在研究作为开发下一代电子器件材料的潜力。他们发现C3N双层可以具有宽的带隙调谐范围，同时还表现出可控的开/关比、高载流子迁移率和光电子探测能力。
在他们的论文中，研究人员提出了两种不同的策略来设计C3N双层的带隙。第一个策略包括调整顶部和底部C3N层之间的堆叠配置或扭曲角度。
康、塞尔和袁说:“利用转移法或原子力显微镜(AFM)针尖操作技术，已经实现了具有所需扭转角的层状材料的制造。“具有不同扭转角的C3N双层可以具有完全不同的带隙，从0.3到1.21电子伏不等。据我们所知，这是展示最大带隙调谐范围的双层材料。”
研究人员提出的第二个设计C3N双层带隙的策略需要外加电场。这种策略已经被广泛用于调节许多其他2D双层材料的带隙。
康、塞尔和袁说:“我们发现双层膜的带隙只有在1.91 V/nm的中等外加电压下才能从0.89 eV调谐到接近0 eV。“总的来说，我们的结果表明，C3N双层可以显著改变带隙，同时保持其他吸引人的特性。我们团队中专注于研究实验的那部分人能够合成材料并进行实验测试。”
新的结构使各种电子元件的生产成为可能，这些元件可以结合起来生产出具有要求和能力的电子产品。作者:魏等。康、塞尔、袁和他们的同事最近研究的主要目标是开发一种新的碳基材料，这种材料有助于在后硅时代扩展摩尔定律。通过揭示C3N双层的高度优势特性，研究人员展示了其在开发性能更好的碳基场效应晶体管以及其他电子和光电器件方面的潜力。
康、塞尔和袁说:“双层膜的高载流子迁移率和宽可调带隙使其在许多研究领域有很好的应用前景。“例如，根据堆叠顺序，C3N双层可以是半导体或金属的，这意味着它可以用于晶体管制造中的导电和沟道材料。这可能有助于解决晶体管制造中不同材料的接触电阻问题。”
这组研究人员最近的研究可以为性能更好的碳基电子设备的开发提供信息。此外，他们制造的C3N可以用来创造更先进的光电和激光通信技术。事实上，该团队表明，使用AB’C3N制造的场效应晶体管在近红外(波长1550纳米)光照下具有高度的光响应性。
“AB’C3N双层对近红外光的优异光响应性使其适合红外光电探测，与其他光电探测方法相比，红外光电探测具有大气窗口和24小时探测的优势。除了高载流子迁移率、良好的光响应性、稳定的化学性质、低电阻率和高机械强度之外，我们的C3N材料还与发展良好的硅器件兼容。"
考察康、塞尔和袁的双层结构有许多有利的特点，很快就可以用来制造各种装置。与其他碳基材料相比，这些双层具有高度的柔性和透明性，因此它们也可以用于制造透明电极和可穿戴设备。事实上，C3N的带隙也可以使用双层而不是多层来调谐。这导致更薄的材料，具有更大的透明度和灵活性。
“考虑到当前红外光电探测器的发展受到高性能材料需求的阻碍，材料为未来红外光电探测器和激光通信提供了一个有前途的选择，”康、塞尔和袁说。“我们未来在这一领域的研究将集中在C3N材料在红外光电探测、传感器和铁电材料方面的应用。我们还将尝试制造一种高性能的C3N晶体管。”
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
