5 月 25 日，清华大学集成电路学院任天令教授、王子明博士、田禾副教授（一作兼共同通讯）联合中北大学郭浩教授，在物理学顶级期刊《Nature Physics》发表重要研究成果。该团队首次利用黑磷（BP）中的斯塔克效应，成功实现了数字与模拟电路的多功能可重构应用，为电子器件发展开辟了全新路径。
一、研究背景
随着摩尔定律逼近物理极限，传统硅基器件的尺寸缩小已面临严峻挑战。寻找新型半导体材料、探索新的器件物理机制，成为全球半导体领域的核心研究方向。
在众多二维材料中，黑磷凭借其独特的优势脱颖而出：
• 天然带隙可调：从单层的 1.5 eV 到体相的 0.3 eV；
• 高载流子迁移率：室温下可达 1000 cm²/Vs 以上；
• 显著的斯塔克效应：垂直电场下带隙可大范围连续调制。
与石墨烯（零带隙）和二硫化钼（带隙调制有限）相比，黑磷的斯塔克效应表现出卓越的稳定性 ——10 nm 厚的黑磷薄片，带隙可从 290 meV 连续下调至 30 meV，调制幅度超过一个数量级。
（黑磷单晶材料）
二、核心突破
1.材料制备与表征
研究团队首先通过机械剥离法制备高质量少层黑磷薄片。在材料表征阶段：
• 光学显微镜：用于快速定位和筛选目标厚度的薄片；
• 原子力显微镜（AFM）：精确测量黑磷的层数与表面形貌，确保器件一致性；
• 拉曼光谱仪（514 nm 激发）：通过特征峰 A¹g、B₂g、A²g 的强度比，精准判定黑磷层数与晶体质量；
• X 射线光电子能谱（XPS）：分析黑磷表面元素组成与化学态，评估氧化程度。
随后，通过电子束光刻系统（EBL）定义器件图形，结合电子束蒸发仪制备 Ti/Au 源漏电极，最终完成场效应晶体管阵列的制备。
双栅BP晶体管的表征与静电调控带隙 | 来源：论文附图
2.斯塔克效应的电学表征
器件电学性能测试在半导体参数分析仪配合真空探针台上完成。研究团队发现，通过垂直电场调制黑磷能带隙，可以精准控制两个关键参数：
• 电流开关比：带隙增大时开关比显著提升，适合数字逻辑应用；
• 本征载流子浓度：带隙减小时本征载流子增加，输出电阻降低，适合模拟放大应用。
这一发现建立了 "能带调制→器件特性→电路功能" 的完整映射关系，是本研究的核心理论突破。
斯塔克效应调制的BP放大器的静态电学特性 | 来源：论文附图
三、核心应用与技术优势
1. 可调谐模拟放大器
依托黑磷斯塔克效应，团队搭建了带电流源负载的黑磷放大器，具备极佳的调控性能，拥有陡峭的增益调谐斜率、超一个数量级的带宽调制范围与优异的信号线性度，可实现宽范围增益、带宽动态调控，兼顾高精度信号处理需求。这种单器件一体化调控的优势，突破了传统硅基电路的性能局限。
• 宽域增益调控：可连续调节放大倍数，适配多元信号处理场景；
• 超大带宽可调范围：实现高低频带宽动态切换，适配多场景工况；
• 高线性输出特性：保障高精度信号处理的稳定性。
相较于传统硅基电路，该器件无需复杂电路搭配，单器件即可完成增益与带宽的协同调控，性能优势十分突出。
2. 多值逻辑数字电路
研究通过电场调控黑磷带隙至三种稳定状态，让单根黑磷晶体管可输出三档分立电流，成功实现三值逻辑功能。相较于传统二进制逻辑电路，该方案能有效减少器件用量，大幅提升芯片电路集成密度，为高密度集成电路设计提供新方案。
3. 卷积神经网络硬件加速
团队研发的堆叠式黑磷晶体管阵列，可应用于二进制卷积神经网络硬件加速，综合性能远超传统器件。经实验验证，该阵列计算延迟低于硅基CPU，能效表现优于主流忆阻器阵列，同时具备出色的可重构性，可适配多种神经网络架构，适配AI硬件加速发展需求。
这项工作首次系统揭示了黑磷斯塔克效应与电路特性之间的内在关联，成功实现了从材料物理到系统应用的跨越。从可调谐放大器到多值逻辑，再到 AI 硬件加速，黑磷斯塔克效应展现出在下一代电子系统中的巨大潜力。
随着二维材料制备工艺的成熟与表征技术的进步，我们有理由相信，黑磷等新型二维半导体将在未来扮演越来越重要的角色。
四、测试技术支持
本研究涉及的材料表征与器件测试，钧研实验室均可提供专业测试服务：
✅ 材料表征服务
• 原子力显微镜（AFM）形貌与厚度表征
• 拉曼光谱与荧光光谱分析
• X 射线光电子能谱（XPS）元素分析
• 扫描电子显微镜（SEM）形貌观察
• 透射电子显微镜（TEM）微观结构分析
✅ 器件测试服务
• 半导体参数分析仪电学特性测试
• 场效应晶体管转移 / 输出特性表征
• 低温与真空环境下的输运性能测试
• 电路级功能验证与性能评估
✅ 微纳加工服务
• 电子束光刻（EBL）图形制备
• 电子束蒸发与磁控溅射镀膜
• 干法刻蚀与湿法刻蚀工艺
如需各类材料表征、电学测试、器件分析等专业测试服务，欢迎联系钧研实验室，我们将为您提供高质量、高效率的技术支撑！
论文信息：Reconfigurable and multifunctional circuits using the Stark effect in black phosphorus, Nature Physics, 2026。https://doi.org/10.1038/s41567-026-03293-5。
