新型二维LED材料获攻破 砷烯和锑烯或成新贵
在二维材料世界，类似石墨烯的单层蜂窝晶体及其元素–硅烯、锗烯、锡烯备受关注，都具有卓越的性能。然而，石墨烯和其它碳元素的电子结构有着致命弱点，就是零带隙，这严重降低了他们在晶体管的开关方面的应用。即使通过表面功能化和外部电场或应变域，也只能实现很小的带隙。
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，但动辄十倍、数十倍的售价，使LED灯无法轻易走入寻常百姓家。笔者从南京理工大学了解到，学校近日取得的新型二维半导体研究进展，有望制造出新型材料，极大降低LED灯生产成本。
LED灯亮度高、低功耗、无辐射、不含有毒成分，而且在电网没有覆盖的地区，依靠太阳能就可以使用。在地球资源紧张、环境污染严重的今天，对全人类都具有非常重要的意义。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。
图2D砷烯和锑烯在半导体器件中的潜在应用。（图片源自：南京理工大学，光电子与纳米材料研究所）
不像黑磷，自然界中层状堆积状态砷和锑是典型的半导体金属。然而，在一定的压力下，单层砷烯和锑烯间接宽带隙半导体可成为直接带隙半导体。对于砷烯和锑烯，如此显著地电子特性的转变可能会打开具有高开关比纳米级晶体管、蓝/紫外光电子器件和基于纳米机械传感器的新型超薄半导体之大门。
他指出，在公布的结构背后存在2个非常重要的问题。第一是砷烯和锑烯在2D晶体中的相对位置，即它们的特点和作用；第二是实验的现实性，即这些2D材料可以制造出来吗？
“我们的实验室已经可以成功制备厚度小于10nm材料，并且正在进一步探索如何减薄至单层。当然我们也正在探索晶体管器件的制备。最重要的是，这项工作是吸引更多的研究者去探索这两种二维材料，从而加速其发展。”
自从2004年石墨烯被发现后，研究人员主要集中在碳元素二维材料而忽视氮系蜂窝板。磷烯、砷烯和锑烯（也包括在HSE06理论水平带隙为0.99eV的单层铋），对于纳米材料科学界是令人兴奋的新发现，他们很快成为重要的理论和实验研究的课题。
“我们希望具有宽带隙的新型2D单元素半导体砷烯和锑烯可以拓宽半导体家族进入氮族”，曾总结道。
据该校纳米光电材料研究所曾海波所长介绍，成本低廉的新材料是目前国内外材料学界争相研发的重点。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。
南理工设计的新材料单层砷烯（Arsenene)和锑烯(Antimonene)，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，应用前景极为广泛。曾所长介绍，其实LED制造只是这种新材料应用的一个方面，对硅的取代将具有更大的应用价值。硅是目前计算机、手机芯片（集成电路）的主要制造材料，然而，随着现代科学技术的进步，集成电路上的晶体管密度越来越大，其密度的增加就越来越困难，硅材料即将达到其应用尺寸的极限，而二维新材料则突破硅的这一限制。比如现在很热门的谷歌眼镜、智能健康手环等柔性可穿戴设备，目前还依靠硅在制造，而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。（来源：中国科学报）