近期，上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院陳長鑫教授團(tuán)隊原創(chuàng)性地采用一種聲化學(xué)剝離的方法制備出高質(zhì)量的窄型黑磷納米帶（BPNR，Black phosphorus nanoribbon），其具有近原子級光滑邊緣和明確的邊緣取向。在此基礎(chǔ)上，他們也基于該材料實現(xiàn)了高性能場效應(yīng)晶體管和光電探測器。

值得關(guān)注的是，基于這種新方法制備的黑磷納米帶寬度集中在 32nm，最窄可達(dá) 1.5nm、是迄今報道的最小值。使用石墨烯作為接觸材料的黑磷納米帶場效應(yīng)晶體管開關(guān)比達(dá) 1.7×106、遷移率為 1506cm2 V?1 s?1。該綜合性能在已報道的基于黑磷納米帶和二維黑磷的場效應(yīng)晶體管中為最高。

圖丨陳長鑫教授（中）與其團(tuán)隊成員（來源：陳長鑫團(tuán)隊）

這項研究不僅為制備高質(zhì)量、邊緣手性明確的黑磷納米帶提供了一種新方法，還揭示了塊體黑磷原料晶格預(yù)應(yīng)力與黑磷納米帶形成之間的內(nèi)在關(guān)系，為后摩爾時代先進(jìn)集成電路提供了一種兼具可調(diào)帶隙和高遷移率的溝道候選材料。

黑磷納米帶具有廣泛的應(yīng)用潛力，包括在 5nm 及以下節(jié)點晶體管、先進(jìn) CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體，Complementary Metal Oxide Semiconductor）器件等下一代集成電路中以及在柔性電子、光電探測、熱電等領(lǐng)域。石墨烯接觸的采用也支撐了電路層面的優(yōu)勢，為黑磷納米帶的規(guī)?；商峁┧悸?。此外，這種黑磷納米帶制備方法還有望拓展至其他各向異性層狀材料用于制備納米帶。

相關(guān)論文以《具有近原子級光滑邊緣和明確邊緣取向的高質(zhì)量窄黑磷納米帶》（High-quality narrow black phosphorus nanoribbons with nearly atomically smooth edges and well-defined edge orientation）為題，發(fā)表在 Nature Materials 期刊上 [1]。上海交通大學(xué)博士生張騰是第一作者，陳長鑫教授擔(dān)任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Materials）

同時，該工作還被 Nature Materials 期刊選為突出科研成果，以《黑磷納米帶用作高性能晶體管和光電探測器》（Black phosphorus nanoribbons for high-performance transistors and photodetectors）為題在 Research Briefing 欄目專題報道 [2]。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Materials）

這項研究工作也被 Nature Electronics、Nature Reviews Electrical Engineering 期刊選為 Research Highlight 專題報道 [3, 4]。

在后摩爾時代，半導(dǎo)體技術(shù)對發(fā)展能夠突破硅器件性能瓶頸的新材料、新結(jié)構(gòu)和新器件提出了更迫切的需求。因其優(yōu)異的物理和機械性能，黑磷被認(rèn)為是下一代電子器件（如場效應(yīng)晶體管）的理想構(gòu)筑材料。要滿足邏輯應(yīng)用的要求，黑磷通常需要有一個大于 0.5eV 的帶隙，這理論上要求有一個不超過五層的二維黑磷厚度。

然而，制備少層、大面積的二維黑磷頗具挑戰(zhàn)性。一種替代方案是使用一維的窄型黑磷納米帶，它由于量子限域效應(yīng)和邊緣效應(yīng)能夠具有可觀的、在寬的范圍內(nèi)可調(diào)的帶隙。而且，與二維黑磷相比，黑磷納米帶具有更優(yōu)的電學(xué)、光學(xué)性能，其特性可通過寬度和邊緣態(tài)、外部應(yīng)力和場強等被有效調(diào)控。但當(dāng)下仍然缺乏能夠高效制備邊緣光滑的、潔凈的窄黑磷納米帶的普適性方法。為此，科學(xué)家們一直在努力探索能夠高效制備高質(zhì)量黑磷納米帶的方法，并希望對其尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。

陳長鑫團(tuán)隊的主要研究方向是碳基和磷基納米電子和光電子器件，致力于通過材料和器件結(jié)構(gòu)的改善優(yōu)化將碳基和磷基晶體管等器件的性能推向極致，相關(guān)工作涵蓋碳納米管、石墨烯納米帶、二維黑磷、石墨烯等（DeepTech 此前對該團(tuán)隊研究的報道：邁向石墨烯半導(dǎo)體！上海交大教授制備原子級光滑的閉合邊緣石墨烯納米帶，寬度可小至亞 5 納米）。

圖 | 黑磷納米帶集成電路應(yīng)用的設(shè)想圖（來源：陳長鑫團(tuán)隊）

在本次研究中，研究人員采用特定合成方法在制備的塊體黑磷中引入了沿扶手椅型方向的預(yù)應(yīng)力，使其沿垂直于扶手椅型方向的晶面相比于沿其它晶面更容易被解鏈開。

基于此，設(shè)計使用合適的超聲條件對合成的塊體黑磷晶體進(jìn)行聲化學(xué)剝離，制得鋸齒型邊緣的一維黑磷納米帶。陳長鑫對 DeepTech 介紹道：“我們的方法可高效地制備高質(zhì)量的、窄的、潔凈的黑磷納米帶。制得的較窄的黑磷納米帶被證明均具有鋸齒型的邊緣取向。”

（來源：Nature Materials）

對于一維納米材料來說，其帶隙決定于材料寬度。它們二者呈大致反比的關(guān)系：材料越窄，則帶隙越大。研究發(fā)現(xiàn)，黑磷納米帶的帶隙值可從 83nm 時的 0.28eV 逐漸上升至 13nm 時的 0.64eV。

帶隙大小與晶體管的關(guān)鍵性能開關(guān)比密切相關(guān)。制得黑磷納米帶的窄的寬度和鋸齒型邊緣將導(dǎo)致的大的帶隙，從而使晶體管具有高的開關(guān)比。另一方面，黑磷納米帶的邊緣粗糙度和潔凈程度會對晶體管的場效應(yīng)遷移率產(chǎn)生重要影響；其邊緣越光滑、材料越潔凈，載流子輸運時被散射程度則越小，從而器件的場效應(yīng)遷移率則越高。

（來源：Nature Materials）

在該研究中，研究人員還將這種黑磷納米晶體管用作光電探測器。器件實現(xiàn)了 11.2A/W 的高響應(yīng)度和 1.1×1011cm Hz1/2 W?1 的比探測率，高于絕大多數(shù)已報道的基于一維、二維納米材料以及它們的復(fù)合結(jié)構(gòu)的近紅外探測器。

“光電探測性能表現(xiàn)優(yōu)良意味著未來有望在黑磷材料平臺上同時集成電子器件和光電子器件，為實現(xiàn)下一代光電集成電路奠定基礎(chǔ)?！标愰L鑫解釋說道。

需要了解的是，集成電路應(yīng)用的要求非常嚴(yán)苛。陳長鑫表示：“盡管現(xiàn)階段可制備出邊緣取向且光滑的黑磷納米帶，但它的寬度有一定的分布范圍。我們希望在后續(xù)的研究工作中開發(fā)更好的方法制備出寬度均一的黑磷納米帶。另外，我們也將對黑磷納米帶的定向排布進(jìn)行研究?！边@些進(jìn)一步的研究將為黑磷納米帶未來規(guī)模化集成制造做好準(zhǔn)備，以使其早日應(yīng)用于下一代集成電路。

參考資料：

1.Zhang, T., Chen, Y., He, Z. et al. High-quality narrow black phosphorus nanoribbons with nearly atomically smooth edges and well-defined edge orientation. Nat. Mater. 24, 1375–1386 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02314-7

2.Chen C, Zhang, T. Black phosphorus nanoribbons for high-performance transistors and photodetectors. Nat. Mater. 24, 1342–1343 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02313-8

3.Parker, M. Making black phosphorus nanoribbons from bulk. Nat. Electron. 8, 758 (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01472-5

4.Won, R. Black phosphorus nanoribbons for future integrated circuits. Nat. Rev. Electr. Eng. (2025). https://doi.org/10.1038/s44287-025-00221-2

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