上海交大制备黑磷纳米带实现高性能晶体管，应用于下一代集成电路

近期，上海交通大学集成电路学院陈长鑫教授团队原创性地采用一种声化学剥离的方法制备出高质量的窄型黑磷纳米带（BPNR，Black phosphorus nanoribbon），其具有近原子级光滑边缘和明确的边缘取向。在此基础上，他们也基于该材料实现了高性能场效应晶体管和光电探测器。

值得关注的是，基于这种新方法制备的黑磷纳米带宽度集中在 32nm，最窄可达 1.5nm、是迄今报道的最小值。使用石墨烯作为接触材料的黑磷纳米带场效应晶体管开关比达 1.7×106、迁移率为 1506cm² V⁻¹ s⁻¹。该综合性能在已报道的基于黑磷纳米带和二维黑磷的场效应晶体管中为最高。

图丨陈长鑫教授（中）与其团队成员（来源：陈长鑫团队）

这项研究不仅为制备高质量、边缘手性明确的黑磷纳米带提供了一种新方法，还揭示了块体黑磷原料晶格预应力与黑磷纳米带形成之间的内在关系，为后摩尔时代先进集成电路提供了一种兼具可调带隙和高迁移率的沟道候选材料。

黑磷纳米带具有广泛的应用潜力，包括在 5nm 及以下节点晶体管、先进 CMOS（互补金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor）器件等下一代集成电路中以及在柔性电子、光电探测、热电等领域。石墨烯接触的采用也支撑了电路层面的优势，为黑磷纳米带的规模化集成提供思路。此外，这种黑磷纳米带制备方法还有望拓展至其他各向异性层状材料用于制备纳米带。

相关论文以《具有近原子级光滑边缘和明确边缘取向的高质量窄黑磷纳米带》（High-quality narrow black phosphorus nanoribbons with nearly atomically smooth edges and well-defined edge orientation）为题，发表在 Nature Materials 期刊上 [1]。上海交通大学博士生张腾是第一作者，陈长鑫教授担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

同时，该工作还被 Nature Materials 期刊选为突出科研成果，以《黑磷纳米带用作高性能晶体管和光电探测器》（Black phosphorus nanoribbons for high-performance transistors and photodetectors）为题在 Research Briefing 栏目专题报道 [2]。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

这项研究工作也被 Nature Electronics、Nature Reviews Electrical Engineering 期刊选为 Research Highlight 专题报道 [3, 4]。

在后摩尔时代，半导体技术对发展能够突破硅器件性能瓶颈的新材料、新结构和新器件提出了更迫切的需求。因其优异的物理和机械性能，黑磷被认为是下一代电子器件（如场效应晶体管）的理想构筑材料。要满足逻辑应用的要求，黑磷通常需要有一个大于 0.5eV 的带隙，这理论上要求有一个不超过五层的二维黑磷厚度。

然而，制备少层、大面积的二维黑磷颇具挑战性。一种替代方案是使用一维的窄型黑磷纳米带，它由于量子限域效应和边缘效应能够具有可观的、在宽的范围内可调的带隙。而且，与二维黑磷相比，黑磷纳米带具有更优的电学、光学性能，其特性可通过宽度和边缘态、外部应力和场强等被有效调控。但当下仍然缺乏能够高效制备边缘光滑的、洁净的窄黑磷纳米带的普适性方法。为此，科学家们一直在努力探索能够高效制备高质量黑磷纳米带的方法，并希望对其尺寸和结构进行精确控制。

陈长鑫团队的主要研究方向是碳基和磷基纳米电子和光电子器件，致力于通过材料和器件结构的改善优化将碳基和磷基晶体管等器件的性能推向极致，相关工作涵盖碳纳米管、石墨烯纳米带、二维黑磷、石墨烯等（DeepTech 此前对该团队研究的报道：迈向石墨烯半导体！上海交大教授制备原子级光滑的闭合边缘石墨烯纳米带，宽度可小至亚 5 纳米）。

图 | 黑磷纳米带集成电路应用的设想图（来源：陈长鑫团队）

在本次研究中，研究人员采用特定合成方法在制备的块体黑磷中引入了沿扶手椅型方向的预应力，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链开。

基于此，设计使用合适的超声条件对合成的块体黑磷晶体进行声化学剥离，制得锯齿型边缘的一维黑磷纳米带。陈长鑫对 DeepTech 介绍道：“我们的方法可高效地制备高质量的、窄的、洁净的黑磷纳米带。制得的较窄的黑磷纳米带被证明均具有锯齿型的边缘取向。”

（来源：Nature Materials）

对于一维纳米材料来说，其带隙决定于材料宽度。它们二者呈大致反比的关系：材料越窄，则带隙越大。研究发现，黑磷纳米带的带隙值可从 83nm 时的 0.28eV 逐渐上升至 13nm 时的 0.64eV。

带隙大小与晶体管的关键性能开关比密切相关。制得黑磷纳米带的窄的宽度和锯齿型边缘将导致的大的带隙，从而使晶体管具有高的开关比。另一方面，黑磷纳米带的边缘粗糙度和洁净程度会对晶体管的场效应迁移率产生重要影响；其边缘越光滑、材料越洁净，载流子输运时被散射程度则越小，从而器件的场效应迁移率则越高。

（来源：Nature Materials）

在该研究中，研究人员还将这种黑磷纳米晶体管用作光电探测器。器件实现了 11.2A/W 的高响应度和 1.1×1011cm Hz1/2 W⁻¹ 的比探测率，高于绝大多数已报道的基于一维、二维纳米材料以及它们的复合结构的近红外探测器。

“光电探测性能表现优良意味着未来有望在黑磷材料平台上同时集成电子器件和光电子器件，为实现下一代光电集成电路奠定基础。”陈长鑫解释说道。

需要了解的是，集成电路应用的要求非常严苛。陈长鑫表示：“尽管现阶段可制备出边缘取向且光滑的黑磷纳米带，但它的宽度有一定的分布范围。我们希望在后续的研究工作中开发更好的方法制备出宽度均一的黑磷纳米带。另外，我们也将对黑磷纳米带的定向排布进行研究。”这些进一步的研究将为黑磷纳米带未来规模化集成制造做好准备，以使其早日应用于下一代集成电路。

参考资料：

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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