香港理工&中科大微尺度Nat. Mater.報道少層二維黑磷的大面積生長

背景介紹

黑磷是一種具有可控帶隙（范圍從0.3 eV到單層的約2 eV）和高載流子遷移率的層狀半導體，是原子級厚度晶體管器件選材中最有前途的候選材料之一。然而，二維黑磷缺乏大面積的生長技術，這極大地阻礙了其在器件方面的發展。此外，黑磷還展示出了各種獨特的性能，對從納米電子學和納米光子學到量子器件和超導體的各種應用都很有價值。與其廣闊的應用前景極不相稱的是，自發現黑磷以來，少層黑磷膜的可控大規模生長一直是一個長期存在的重大問題，而缺乏解決方案極大地阻礙了其進一步的研究和實際應用。

成果簡介

香港理工大學的郝建華教授以及中科大合肥微尺度國家實驗室的陳仙輝教授等人聯合報道了通過脈沖激光沉積法實現厘米級超薄黑磷的生長。由激光燒蝕誘導的獨特的等離子體激活區為黑磷團簇的形成和運輸提供了非常理想的條件，促進了生長。在黑磷薄膜上制作的大規模場效應晶體管陣列，在295和250 K下分別產生了高達213和617 cm²?V^-1s^?-1的空穴遷移率。改研究結果為進一步開發基于黑磷的晶圓級器件鋪平了道路，這些器件在信息產業中具有潛在的應用價值。該成果以Large-scale growth of few-layer two-dimensional black phosphorus為題，發表在Nature Materials上。

圖文導讀

圖1. 厘米級少層黑磷薄膜的生長

a.?脈沖激光沉積發制備黑磷示意圖

b. 不同厚度黑磷實物圖片

c. AFM圖；d. AFM測得的厚度；e.EBSD圖；f.g. EDX圖；h. XPS圖

i. XRD圖

圖2.少層黑磷薄膜的大面積研究

a,b.?沿著一個近似八層薄膜的Z軸(IPF-Z，a)和Y軸(IPF-Y，b)的反極圖

c. a和b中IPF與主衍射晶面的差色匹配

d-f. 大范圍0°(d)、60°(e)和90°?(f)偏振拉曼圖

g. PL譜

h. 少層黑磷薄膜的層相關光致發光特性

i. 少層黑磷拉曼圖

圖3. 少層薄黑磷膜的原子特性

a. 黑磷HRTEM圖；b. 黑磷晶格；c. 黑磷SAED圖；d,e,f. 黑磷DF-TEM圖；g,h. 黑磷HRTEM截面圖

圖4. 厘米級少層黑磷的電學性能

a. 頂柵FETs器件示意圖

b. FET截面示意圖

c. Id–Vds曲線

d. FET傳輸特性

e. 場效應遷移率和開關比

f. 載流子遷移率的三維彩色圖

總結

本文提出了一種可控的快速脈沖激光沉積法來直接合成具有高結晶度和均勻性厘米級少層二維黑磷。結合分子動力學模擬，研究了黑磷層形成的生長機制。表征了所制備的大面積薄膜的晶相結構、結晶性質、層狀結構和能帶隙。通過大面積黑磷薄膜的成功生長，進一步制作了少層黑磷場效應晶體管。大規模黑磷器件陣列在載流子遷移率和電流開關比方面表現出優異的電學特性。

文獻鏈接：Large-scale growth of few-layer two-dimensional black phosphorus. Nature Materials, 2021, DOI: 10.1038/s41563-021-01001-7

作者簡介：

郝建華：香港理工大學應用物理學系教授，美國光學學會會士、英國物理學會會士和英國皇家化學會會士，教育部長江學者講座教授。主要從事功能薄膜和二維材料及器件，應用于光電子、生物醫學的摻雜發光材料和納米能源的研究。發表了SCI學術論文300余篇，包括近年來以通訊作者發表在國際著名期刊Nature Materials, Nature Commun., Adv. Mater., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev., Appl. Phys. Rev., Adv. Energy Mater., Nano Energy, ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Lett.?等論文。主持包括CRF,GRF,ITF,NSFC等20多項重要科研項目。獲得“教育部自然科學獎”，“TechConnect全球創新獎“，“日內瓦國際發明特別優異獎和金獎”，“納米科研領先獎”，?“校長特設個人卓越成就獎”等獎項。目前擔任InfoMat雜志副主編，Adv. Opt. Mater.?等國際雜志的編委。

本文由納米小白撰稿.