为啥碳元素不能做半导体材料呀？

碳元素通过不同杂化可以做成半导体材料，比如很多成分合适的高聚物在合适的条件下热解碳化的产物就是半导体特征，碳纳米管在结构合适的情况下也是半导体，但是没有经济价值，跟小学生做的什么科学小制作一样，只是个实验室玩具，指望这个赚钱是不可能的，打不过工业界常用的硅晶。

工业界赚钱的东西，往往是成本低廉技术成熟的老东西，新生事物很多只是实验室玩具

加入一个碳原子，就可以转变二维半导体材料！宾夕法尼亚州立大学研究人员称，一种将碳-氢分子引入半导体材料二硫化钨的单个原子层技术，极大地改变了这种材料的电子特性。可以用这种材料为节能光电设备和电子电路制造新型元件。论文的第一作者材料科学与工程博士生张福(音译)说：我们已经成功地将碳元素引入半导体材料的单层中，其研究2019年5月24日发表在《科学进展》(science Advances上。

在加入碳原子之前，半导体是一种过渡金属二卤代烃(TMD)，是n型电子导电体。用碳原子代替硫原子后，这种单原子厚的材料产生了双极效应、p型空穴支和n型支。这就产生了双极性半导体。毛里西奥·特隆斯(Mauricio Terrones)是一名资深作家，也是物理、化学和材料科学与工程领域的杰出教授。一旦材料被高度掺杂碳，研究人员就能产生具有很高载流子迁移率的简并p型。可以制造出n+/p/n+和p+/n/p+结，它们具有这种半导体所没有的特性，在应用方面，半导体被用于工业中的各种设备。

在这种情况下，这些设备中的大多数将是不同种类的晶体管，笔记本电脑里大约有100万亿个晶体管。这种材料也可能对电化学催化有好处，可以提高半导体的导电性，同时又具有催化活性。由于二维材料掺杂需要在特定的条件下同时进行多个过程，因此在二维材料掺杂领域的研究较少。该团队技术使用等离子体将甲烷裂解的温度降低到752华氏度。与此同时，等离子体必须足够强大，能够把硫原子从原子层中撞出来，并取代一个碳氢单位。要打开单层膜并不容易，然后测量载体的传输也不是件小事。

材料科学与工程系教授兼系主任Susan Sinnott提供了指导实验工作的理论计算。当Terrones和Zhang观察到掺杂这种二维材料正在改变它的光学和电子特性时，sinnott团队预测了最佳掺杂原子并预测了其特性，这与实验相符。测量了不同晶体管中碳取代量不断增加时的载流子输运，观察电导的根本变化，直到完全改变了传导类型从负到正。化学掺杂是改变二维过渡金属双卤代烷(2D-TMDs)电子、化学和光学性质的有效途径。研究采用等离子体辅助方法将碳-氢(CH)单元引入WS2单分子层。

发现ch -基团是将碳引入WS2的最稳定掺杂剂，这使得光致发光光谱显示的能带隙从1.98 eV降低到1.83 eV。像差校正高分辨率扫描透射电镜(AC-HRSTEM)结合第一原理计算的观察结果证实，ch基团合并到WS2中的S空位中。根据电子传输测量，未掺杂的WS2表现出单极n型传导。然而，随着碳掺杂水平的增加，CH-WS2单分子层出现了p分支，并逐渐完全变成p型。因此，嵌入到WS2晶格中的ch基团可以调整其电子和光学特性，该方法可用于其他2D-TMDs器件的高效集成。

---