碲提高2D半导体性能，实现更快的光电探测

卡内基梅隆大学的一组研究人员最近设计了一种方法，使他们能够制造出制造具有创纪录高性能的二维（2D）半导体所需的大量材料。他们的论文于2024年12月下旬发表在ACS应用材料与接口杂志上，可能会导致更高效和可调的光电探测器，为下一代光感测和多功能光电器件铺平道路

“半导体是当今电子产品的关键使能技术，从笔记本电脑到智能手机再到人工智能应用，”电气与计算机工程助理教授徐章说。“它们控制着电流的流动，充当导体（允许电流自由流动）和绝缘体（阻止电流）之间的桥梁。”。为了制造这种光电探测器，该团队需要使用原子宽度厚或尽可能接近二维的材料

当今的半导体行业严重依赖CMOS（互补金属氧化物半导体）技术，该技术使用两种类型的半导体材料来实现节能的电子电路，称为p型（或“正型”）和n型（或”负型”）材料

张说：“制造一个好的p型半导体不仅对光电探测器的工作很重要，而且对几乎所有的电子产品都至关重要。”

虽然有很多种2D n型材料可供选择，但2D p型材料更为罕见——直到现在。CMU的研究人员正在寻找一种强大的新型p型半导体材料，这可以解决超薄电子领域的一个关键瓶颈

幸运的是，他们确实知道一种合适的材料：碲。碲是元素周期表上的第52个元素，位于第16族，比氧低几个周期（行）。它是一种导电类金属，但最重要的是，它的作用类似于p型材料

更好的是，在他们测试的材料中，2D碲的迁移率最高，导电速度最快，为1450 cm2/Vs，这意味着用它构建的设备可以非常快地工作。它在空气中也比主要的替代品黑磷稳定得多，因此它不容易降解，并且保持快速高效的时间更长

“这种物理气相沉积生长碲极大地丰富了2D半导体材料家族，”机械工程研究生、该论文第一作者黄天一说

“其p型特性和出色的电气性能使其成为各种潜在应用的有力候选者，如高速CMOS电路、高频RF[射频]电路、光电探测器、能量收集等。”

除了器件的超轻重量外，碲光电探测器还具有高度可调性，可以改变其参数，使其可用于各种应用，这是其他光电探测器所不具备的特性。研究人员期待着进一步发展这项工作，以发现其局限性和最佳应用

这项跨学科的工作是通过与机械工程教授沈及其团队的密切合作完成的

“凭借其独特的性质，2D p型碲在光电探测和电子领域的应用前景广阔。我们很高兴在不久的将来进一步探索其潜力，”沈说

随着研究人员继续推动2D材料的边界，这一发现标志着迈向原子厚电子重新定义速度、效率和多功能性的未来迈出了重要一步 More information: Tianyi Huang et al, Physical Vapor Deposition of High-Mobility P-Type Tellurium and Its Applications for Gate-Tunable van der Waals PN Photodiodes, ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c14865

Journal information: ACS Applied Materials and Interfaces