注意带隙！——研究人员创造出可调电子特性的新的纳米级基本半导体形式

半导体在我们的日常生活中至关重要，因为它们存在于几乎所有的电子设备中。半导体的一个关键特性是它们的带隙，它决定了它们如何导电。带隙通常通过断裂化学键或向材料中引入额外元素为特定应用进行工程设计。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 LLC的研究人员使用透射电子显微镜成像新形态的硒，利用纳米管作为微型试管。这项研究今天已发表在先进材料期刊上。

诺丁汉大学化学系的研究员威尔·卡尔博士表示：“硒是一种历史悠久的半导体，曾被用于第一批太阳能电池。在我们的研究中，我们通过发现新的形式Revitalised了硒，这些新形式在纳米尺度上被限制时会出现。”

硒可以以纳米线的形式存在，其结构和键合因直径不同而变化。在某一特定大小以下，硒原子之间的键合会改变，角度增大。这导致最初螺旋结构的拉直，最终将其压缩成原子级薄线。

威尔·卡尔博士表示：“我们成功地使用透射电子显微镜成像新的硒形态，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。”

诺丁汉团队以前报告了使用纳米试管成像单个分子的化学反应和观察半导体的相变。这种方法使在原子级别实时拍摄化学反应成为可能。

威尔·卡尔博士表示：“令我们惊讶的是，我们观察到纳米试管在成像时变得更细！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。这一偶然的发现使我们能够建立从一种类型的纳米线到另一种类型的转化机制，这对它们的电子特性具有近原子精度的影响。”

带隙是半导体的重要属性，显著影响其在各种设备中的使用，包括太阳能电池、晶体管和光催化剂。EPSRC SuperSTEM的主任昆廷·拉马斯教授表示：“通过利用原子分辨的扫描透射电子显微镜结合电子能量损失光谱，我们能够测量单链硒的带隙。这些测量使我们能够建立这些纳米线的直径与其相应带隙之间的关系。”

昆廷·拉马斯教授表示：“传统上，碳纳米管已被用作纳米试管；然而，它们优异的能量吸收特性可能会掩盖内部材料的电子跃迁。相比之下，新型的纳米试管氮化硼纳米管是透明的，允许我们观察到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约每两年翻一倍。因此，电子元件必须变得更小。诺丁汉大学化学系的安德烈·克洛比斯托夫教授表示：“我们研究了在保留有用电子特性的同时，纳米线尺寸的最终极限。这对于硒是可能的，因为量子限制现象可以有效地与原子结构的扭曲相平衡，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在未来被纳入电子设备中。通过改变纳米线的直径来精确调节硒的带隙，可能会导致仅使用单一元素设计出多种定制电子设备。