中國礦業大學Mater. Today Phys.綜述：二維黑磷固有的和工程的性質

第一作者&通訊作者：鐘全潔

通訊單位：中國礦業大學

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100895

近日，中國礦業大學材料與物理學院的青年教師鐘全潔以唯一作者身份在國際重要期刊Materials Today Physics 發表了題為“Intrinsic and engineered properties of black phosphorus”的綜述文章 (DOI: 10.1016/j.mtphys.2022.100895)，深入討論了黑磷固有的性質以及調控這些性質的策略。

【導讀】

黑磷是一種二維層狀半導體，具有可調的直接帶隙、高載流子遷移率以及顯著的平面內各向異性。這些特性為其在電子和光電子器件中的應用提供了無可比擬的應用優勢。例如黑磷薄片可用于制備高性能場效應晶體管；利用三個原子層厚度的黑磷可以實現精準的光學偏振調控；作為電極材料，黑磷具有極高的質量容量。為了充分發揮黑磷的應用潛力，研究人員進行了大量的研究，以探索黑磷的固有性質，同時利用性質工程進一步獲得想要的性質。該文章前半部分綜述了二維黑磷電學、光學、熱和力學性質，重點討論這些性質隨晶體取向、厚度和溫度的演化行為；后半部分綜述了利用應變、電場以及摻雜調節黑磷固有性質的策略，并對相關機制進行了詳盡分析；最后從可獲得性(availability)、耐用性(durability)、優越性(superiority)三個方面對黑磷研究和發展所面臨的挑戰和機遇提出了見解。

【成果掠影】

圖1. 黑磷等材料的電學參數。(a)塊狀半導體、二維半導體和有機半導體帶隙-載流子遷移率圖。(b)二維半導體帶隙-載流子遷移率-開/關比率圖。

圖2. (a)黑磷帶隙隨厚度的變化規律。(b)黑磷電導、電子有效質量和空穴有效質量隨晶體方向的演化規律。(c)黑磷、二硫化鉬、碲載流子遷移率和開/關比率隨厚度的變化規律。(d) 黑磷、二硫化鉬、二硫化鎢載流子遷移率隨溫度的演化規律。

圖3. (a)黑磷光致發光峰值強度和光學電導率隨晶體方向的演化規律。(b)黑磷沿扶手椅和鋸齒形方向的光吸收譜。(c)黑磷邊緣和內部區域光致發光強度隨激光偏振角的變化規律。(d)單層黑磷激子在實空間的波函數和能級。(e)1D速率/2D速率的理論圖。(f)黑磷高次諧波譜。

圖4. (a)黑磷等材料的楊氏模量-強度圖。(b)黑磷、二硫化鉬、氮化硼楊氏模量隨厚度的變化規律。

圖5. (a)聲子散射示意圖。(b)黑磷熱導率隨溫度的演化規律。(c)黑磷等材料熱導率的比較。(d)黑磷熱導率隨厚度的變化規律。

圖6. 黑磷的應變工程。(a)黑磷施加單軸應變示意圖。(b)拉伸應變、無應變、壓縮應變下黑磷歸一化的光致發光譜。(c)黑磷光致發光譜隨應變的演化規律。 (d)黑磷光學帶隙線性依賴于應變。

圖7. 黑磷的電場工程。(a)黑磷電場工程示意圖。(b)電-吸收機制示意圖。(c)10nm厚黑磷帶隙隨電場的變化規律。(d)4nm厚黑磷帶隙隨電場的演化規律。

圖8. 黑磷摻雜工程示意圖。Ⅰ/Ⅴ, Ⅱ/Ⅳ, Ⅲ 分別代表表面摻雜、取代摻雜和插層摻雜區域。

圖9. 黑磷從概念性的器件到商業化的設備需要在可獲得性(availability)、耐用性(durability)、優越性(superiority)三個方面進一步研究。