Adv. Mater. 國內多校合作研究碲（Te）摻雜黑磷場效應晶體管

【引言】

二維材料，如單層石墨烯和過渡金屬硫化物（TMDS），近年來引起了極大的關注，因為由于它們具有特殊的層狀結構和奇異的物理性質，因而可以作為未來光電/電子技術的基石。多層黑磷（BP）是一種新發現的二維晶體。與石墨烯相比，它具有非零帶隙，多層BP逐漸減薄到單層時具有一個從≈0.3到≈2.2 eV的可調直接帶隙。由于多層BP納米片場效應晶體管（FET）的成功制備，且具有達≈1000 cm2 V-1 s-1的高載流子遷移率高以及達≈10^5的大電流開/關比（ION / IOFF），過去兩年大量的研究表明了利用BP納米片制備高效光電/電子器件的潛力。

【成果簡介】

燕山大學柳忠元教授、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所曾中明研究員、東南大學的王金蘭教授以及中國科學院物理研究所王文洪研究員（共同通訊作者）等人的研究表明摻雜碲（Te）可以有效地提高BP器件的輸運性能和環境穩定性。其制備出的Te摻雜BP FET器件具有在室溫下達1850 cm2 V-1 s-1的高遷移率。這一研究表明，適當的元素摻雜是很有效的遏制BP在環境下退化的方案，而且它可能能夠加快落實BP在未來光電/電子器件設備中的應用。

【圖文導讀】

圖1 未摻雜和Te摻雜的BP FET器件的輸運特性：

（a，b）典型的原子力顯微鏡圖像（上圖）和分別從原生未摻雜器件和摻碲器件圖像上的白色虛線提取的BP溝道高度輪廓圖（下圖）。標度尺為1 μm。
（c，d）分別是未摻雜和Te摻雜的器件，在Vg以步長20 V從-60 V變化到60 V時，電流與偏壓（Ids-Vds）的特征曲線。
（e，f）分別是未摻雜和Te摻雜的器件，當源漏電壓固定為Vds = 10 mV時，半對數（右）和線性（左）比例下的轉移特性曲線。虛線標出了轉移曲線的線性區域，從這一區域可以計算出載流子遷移率。

圖2 實驗中測試得到的BP器件電流開關比Ion / Ioff以及載流子遷移率的分布情況：

（a）電流開關比Ion / Ioff。（b）22個未摻雜BP器件和45個Te摻雜BP器件在室溫下空穴遷移率。

圖3 未摻雜和Te摻雜BP FET在環境條件下的對比：

未摻雜和Te摻雜BP FET的室溫轉移曲線Ids–Vg是經歷了0、1、8、15和21天的暴露之后在一個固定偏置Vds = 10 mV下測量得到的。
（a）未摻雜的BP器件的典型轉移曲線。

（b）Te摻雜BP器件典型的轉移曲線。插圖顯示的用未暴露的初始值進行歸一化得到的開電流曲線，以及隨著暴露時間的變化。

（c）用未摻雜BP器件（空心符號）不暴露時的初始值以及Te摻雜BP器件（實心符號）不暴露時的初始值進行歸一化得到的遷移率曲線。

（d）利用未摻雜器件（空心符號）不暴露時的初始值以及Te摻雜器件（實心符號）不暴露時的初始值歸一化的電流開關比Ion / Ioff。（c）和（d）中的實線和虛線分別代表查過5個器件平均的遷移率和電流開關比。

圖4 環境暴露后的BP薄片的原子力顯微鏡表征：

（a）未摻雜的剝離厚度 ≈13 nmBP薄片的AFM圖像，BP薄片分別經歷了0、3、5和9天的環境暴露。箭頭指向薄片的同一區域。

（b）Te摻雜剝離厚度 ≈15 nm的BP薄片的AFM圖像，BP薄片分別經歷了0、3、7和10天的環境暴露。

（c）增加暴露時間引起表面粗糙度的變化。

（d）留存BP厚度隨暴露時間的變化。（a）和（b）中的標度尺代表1 μm。（c）和（d）中的虛線作為眼睛的指南。

圖5 31P MAS NMR譜：

（a）暴露1、2、3、5、6和7天后的未摻雜BP粉末。

（b）暴露1、2、3、5、6和7天后的Te摻雜BP粉末。

（c）39天暴露后的未摻雜BP粉與典型的H3PO3和H3PO4光譜對比。

圖6 計算得到的Te摻雜碲性能：

（a）Te摻雜三層BP仿真單元。

（b）Te摻雜三層BP的電子能帶結構及其對應的偏態密度。

（c）相對于真空能量多層BP的VBM（Valence band maximum，價帶頂）和CBM（Conduction band minimum，導帶底）。虛線標識了O2/O2?氧化還原電位的相對位置。

【總結】

該研究表明，元素摻雜展現了一種富有吸引力的制備高性能和更穩定的BP FET器件的方法。通過摻雜Te，制備的BP器件具有高達1850 cm2 V-1 s-1的載流子遷移率，幾乎是體材料在是室溫下的兩倍。更值得注意的是，Te摻雜BP器件展現出優異的對抗環境退化的能力，并在經歷了21天的環境暴露后保持> 200 cm2 V-1 s-1的遷移率以及≈500的電流開關比。

文獻鏈接：Te-Doped Black Phosphorus Field-Effect Transistors?(Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma. 201603723)

本文由材料人編輯部電子電工學術組天行健供稿，材料牛編輯整理。

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