Adv. Mater. ：金属离子修饰黑磷能显著增强其稳定性和晶体管性能

【引言】

黑磷（BP）作为一种蓬勃发展的二维半导体材料，与石墨烯一样拥有二维层状结构，展现出卓越的电学和光学特性，特别是作为场效应晶体管（FET）的通道材料，引起了科技界的广泛关注。尽管其发展潜力巨大，但是当前需要考虑的实际问题还是BP的内在不稳定性和亟待提高的晶体管性能。

【成果简介】

近日，中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋研究员、深圳大学张晗教授和武汉大学廖蕾教授等人使用金属离子修饰来提高黑磷（BP）片的稳定性，同时显著提高了晶体管性能。该研究发表于Advanced Materials，题为“Metal-Ion-Modified Black Phosphorus with Enhanced Stability and Transistor Performance”。研究人员用Ag⁺修饰BP，使得自发吸附在BP表面上的Ag⁺通过阳离子-π相互作用，钝化了P的孤对电子，从而BP在空气中更稳定。因此，Ag⁺修饰的BP FET的空穴迁移率从796显著增强到1666 cm² V^-1s^-1，开关比从5.9×10⁴增大到2.6×10⁶。该研究还讨论了BP稳定性增强和致使晶体管性能提高的机理，提出该方法也可扩展应用到其他金属离子，如Fe³⁺，Mg²⁺和Hg²⁺。此方法在极大地提高了BP片的稳定性和半导体性能的同时，修饰产生的稳定且高性能的BP晶体管对电子和光电器件的发展也具有重要的意义。

【图文导读】

图1. Ag⁺吸附图解

 a）BP上吸附Ag⁺的示意图。 b）BP_Ag(+)结构的三视图。

图2. 拉曼光谱信息

a）P 2p的HR-XPS光谱。b）Ag 3d的HR-XPS光谱。

c）Ag⁺修饰前后的BP片的拉曼光谱。d）Ag⁺修饰0~120分钟后的一系列BP片拉曼光谱。右侧为强度比例尺。

图3. BP_Ag(+)和裸BP片粗糙度的表征与分析

a-d）暴露于空气中1d（a），3 d（b）和5 d（c）的裸BP片的AFM图像，以及相应的剖面高度（d）。

e-h）暴露于空气中1 d（e），3 d（f）和5 d（g）的BP_Ag(+)片的AFM图像（e-g）和相应的剖面高度（h）。

i）不同曝光时间下的BP_Ag(+)和裸BP片的表面粗糙度。

图4. BP FET器件结构及性能表征

a）SiO₂厚度为300nm的硅衬底上的BP FET器件的显微图像（顶图）和结构示意图。

b）在Ag⁺修饰0, 0.5, 1和2h后，室温下BP FET器件的电流（对数坐标）对栅极电压曲线。

c）FET器件的空穴迁移率和开关比与Ag⁺改性时间的函数关系。

d）Ag⁺修饰2小时后，Vg以20V的步长，从-60扫至60V时，BP_Ag(+) FET器件偏置电压特性曲线。

图5. 在空气中暴露不同时间下的Id-Vg曲线

a）在空气中暴露0-72小时的BP_Ag(+) FET器件的Id-Vg曲线。

b）作为对比，空气中暴露0-24小时的BP FET器件的Id-Vg曲线。

【小结】

此项研究通过金属离子修饰黑磷（BP），显著增强了BP的稳定性和晶体管的性能；通过阳离子-π相互作用，游离的Ag⁺自发地吸附于BP表面，钝化P原子的孤对电子，使得BP在空气中更稳定。Ag⁺修饰的BP FET达到1666 cm² V^-1 s^-1的空穴迁移率，是裸BP空穴迁移率的2倍；开关比高达2×10⁶，是裸BP开关比的44倍之多。与其他表面修饰方法相比，该方法不但可以控制离子浓度和修饰时间，并且可以扩展应用到其他金属离子。这项研究不但提供了一种提高BP稳定性和晶体管性能的简单而有效的手段，而且所获得的稳定BP FET在电子和光电子器件领域有着巨大的研究潜质。

文献链接： Metal-Ion-Modified Black Phosphorus with Enhanced Stability and Transistor Performance (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703811)

本文由材料人计算材料组朱亚楠编译，点我加入材料人编辑部。

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