注意带隙！——研究人员创制出具有可调电子特性的新型纳米级元素半导体

半导体对我们的日常生活至关重要，因为几乎所有电子设备中都含有它们。半导体的关键特性之一是带隙，它决定了它们如何传导电流。带隙通常通过破坏化学键或在材料中引入额外元素来为特定应用设计。然而，这些过程可能复杂且耗能。

来自诺丁汉大学、EPSRC SuperSTEM设施、德国乌尔姆大学和美国BNNT有限责任公司的研究人员使用透射电子显微镜对硒的新形式进行了成像，并利用纳米管作为微型试管。该研究今天发表在先进材料上。

诺丁汉大学化学学院的研究员威尔·卡尔博士（他进行了实验工作）说：“硒是一种有着丰富历史的古老半导体，曾被用于第一批太阳能电池。在我们的研究中，我们发现当硒被限制在纳米尺度时，可以出现新形式，从而使其焕发活力。”

硒可以以纳米线的形式存在，其结构和键合随直径而变化。在特定尺寸以下，硒原子之间的键合发生变化，增加了键角。这导致最初螺旋结构的伸直，最终将其约束成原子级的细线。

威尔·卡尔博士说：“我们成功地使用透射电子显微镜对硒的新形式进行了成像，并利用纳米管作为微型试管。这种方法使我们能够创建一个新的相图，将硒的原子结构与纳米线的直径联系起来。”

诺丁汉研究小组先前报道了使用纳米试管对单个分子的化学反应进行成像，并观察半导体中的相变。这种方法能够在原子级别实时拍摄化学反应。

威尔·卡尔博士说：“令我们惊讶的是，我们观察到纳米试管在成像时变薄了！在我们眼前，我们目睹了纳米管内的硒纳米线像牙膏一样被挤压、拉伸和变薄。这个意外的发现使我们能够建立一个机制，用于将一种纳米线转化为另一种，这对其电子特性有影响，精度接近原子级。”

带隙是半导体的一个关键特性，对其在太阳能电池、晶体管和光催化剂等各种器件中的使用有重大影响。EPSRC SuperSTEM主任昆廷·拉马斯教授说：“通过利用原子分辨扫描透射电子显微镜结合电子能量损失谱，我们能够测量单个硒链的带隙。这些测量使我们能够建立这些纳米线直径与其相应带隙之间的关系。”

昆廷·拉马斯教授说：“传统上，碳纳米管被用作纳米试管；然而，它们出色的能量吸收特性会掩盖材料内部的电子跃迁。相比之下，一种较新的纳米试管类型——氮化硼纳米管是透明的，这使得我们能够观察其中硒纳米线的带隙跃迁。”

著名的摩尔定律指出，集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番。因此，电子元件必须变得更小。诺丁汉大学化学学院的安德烈·克罗博斯托夫教授说：“我们已经研究了在保留有用电子特性的同时，纳米线尺寸的极限。对于硒来说，这是可能的，因为量子约束现象可以通过原子结构的扭曲得到有效平衡，从而使带隙保持在有用范围内。”

研究人员希望这些新材料将来能够被纳入电子器件中。通过改变纳米线的直径来精确调谐硒的带隙，可能会导致仅用单一元素设计出各种定制电子器件。