谨防带隙！——研究人员创制出具有可调谐电子特性的新型纳米级基本半导体

半导体对我们的日常生活至关重要，几乎存在于所有电子设备中。半导体的关键特性之一是带隙，它决定了材料如何传导电流。通常通过破坏化学键或在材料中引入额外元素来设计特定应用所需的带隙，但这些过程可能复杂且能耗高。

诺丁汉大学、EPSRC SuperSTEM实验室、德国乌尔姆大学和美国BNNT LLC的研究人员利用透射电子显微镜观测了新型硒结构，他们采用纳米管作为微型试管。该研究今日已在Advanced Materials期刊发表。

负责实验工作的诺丁汉大学化学学院研究员威尔·卡尔博士表示："硒是一种历史悠久的半导体，曾应用于第一批太阳能电池。我们的研究通过发现纳米尺度约束下形成的新结构，使这种古老材料焕发新生。"

硒能以纳米线形式存在，其结构和键合方式随直径变化。当尺寸低于特定阈值时，硒原子间的键合方式会发生改变，键角增大。这导致最初的螺旋结构趋于平直，最终收缩成原子级细线。

卡尔博士指出："我们成功利用透射电子显微镜观测了新型硒结构，以纳米管作为微型试管。这种方法使我们建立了连接硒原子结构与纳米线直径的新相图。"

诺丁汉研究团队此前曾报道过使用纳米试管观测单分子化学反应及半导体相变的技术。该方法能实现原子级化学反应的实时成像。

卡尔博士描述道："令人震惊的是，我们在观测过程中发现纳米试管逐渐收缩！我们亲眼目睹纳米管内的硒线像牙膏般被挤压、拉伸变细。这个偶然发现让我们精确揭示了不同形态纳米线间的转化机制及其对电子特性的影响，精度接近原子级别。"

带隙是半导体的关键属性，深刻影响着其在太阳能电池、晶体管和光催化剂等设备中的应用。EPSRC SuperSTEM主任昆汀·拉马斯教授强调："通过结合原子分辨率扫描透射电子显微镜与电子能量损失谱，我们成功测量了单链硒的带隙。这些测量数据揭示了纳米线直径与其对应带隙的关联规律。"

拉马斯教授补充道："传统碳纳米管虽被用作纳米试管，但其卓越的能量吸收特性会遮蔽内部材料的电子跃迁。相比之下，新型氮化硼纳米试管具有透明特性，使我们能清晰观测内部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约每两年翻一番，这要求电子元件持续微型化。诺丁汉大学化学学院的安德烈·赫洛比斯托夫教授阐释道："我们在保持实用电子特性的前提下探索了纳米线的尺寸极限。硒材料能实现这一点，因为量子约束效应可通过原子结构畸变有效平衡，从而使带隙维持在实用范围内。"

研究人员期待这些新材料未来能应用于电子设备。通过改变纳米线直径精确调控硒的带隙，有望仅用单一元素设计出多种定制化电子器件。