香港理工&中科大微尺度Nat. Mater.报道少层二维黑磷的大面积生长

背景介绍

黑磷是一种具有可控带隙（范围从0.3 eV到单层的约2 eV）和高载流子迁移率的层状半导体，是原子级厚度晶体管器件选材中最有前途的候选材料之一。然而，二维黑磷缺乏大面积的生长技术，这极大地阻碍了其在器件方面的发展。此外，黑磷还展示出了各种独特的性能，对从纳米电子学和纳米光子学到量子器件和超导体的各种应用都很有价值。与其广阔的应用前景极不相称的是，自发现黑磷以来，少层黑磷膜的可控大规模生长一直是一个长期存在的重大问题，而缺乏解决方案极大地阻碍了其进一步的研究和实际应用。

成果简介

香港理工大学的郝建华教授以及中科大合肥微尺度国家实验室的陈仙辉教授等人联合报道了通过脉冲激光沉积法实现厘米级超薄黑磷的生长。由激光烧蚀诱导的独特的等离子体激活区为黑磷团簇的形成和运输提供了非常理想的条件，促进了生长。在黑磷薄膜上制作的大规模场效应晶体管阵列，在295和250 K下分别产生了高达213和617 cm² V^-1s ^-1的空穴迁移率。改研究结果为进一步开发基于黑磷的晶圆级器件铺平了道路，这些器件在信息产业中具有潜在的应用价值。该成果以Large-scale growth of few-layer two-dimensional black phosphorus为题，发表在Nature Materials上。

图文导读

图1. 厘米级少层黑磷薄膜的生长

a. 脉冲激光沉积发制备黑磷示意图

b. 不同厚度黑磷实物图片

c. AFM图；d. AFM测得的厚度；e.EBSD图；f.g. EDX图；h. XPS图

i. XRD图

图2.少层黑磷薄膜的大面积研究

a,b. 沿着一个近似八层薄膜的Z轴(IPF-Z，a)和Y轴(IPF-Y，b)的反极图

c. a和b中IPF与主衍射晶面的差色匹配

d-f. 大范围0°(d)、60°(e)和90° (f)偏振拉曼图

g. PL谱

h. 少层黑磷薄膜的层相关光致发光特性

i. 少层黑磷拉曼图

图3. 少层薄黑磷膜的原子特性

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

图4. 厘米级少层黑磷的电学性能

a. 顶栅FETs器件示意图

b. FET截面示意图

c. Id–Vds曲线

d. FET传输特性

e. 场效应迁移率和开关比

f. 载流子迁移率的三维彩色图

总结

本文提出了一种可控的快速脉冲激光沉积法来直接合成具有高结晶度和均匀性厘米级少层二维黑磷。结合分子动力学模拟，研究了黑磷层形成的生长机制。表征了所制备的大面积薄膜的晶相结构、结晶性质、层状结构和能带隙。通过大面积黑磷薄膜的成功生长，进一步制作了少层黑磷场效应晶体管。大规模黑磷器件阵列在载流子迁移率和电流开关比方面表现出优异的电学特性。

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

作者简介：

郝建华：香港理工大学应用物理学系教授，美国光学学会会士、英国物理学会会士和英国皇家化学会会士，教育部长江学者讲座教授。主要从事功能薄膜和二维材料及器件，应用于光电子、生物医学的掺杂发光材料和纳米能源的研究。发表了SCI学术论文300余篇，包括近年来以通讯作者发表在国际著名期刊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. 等论文。主持包括CRF,GRF,ITF,NSFC等20多项重要科研项目。获得“教育部自然科学奖”，“TechConnect全球创新奖“，“日内瓦国际发明特别优异奖和金奖”，“纳米科研领先奖”， “校长特设个人卓越成就奖”等奖项。目前担任InfoMat杂志副主编，Adv. Opt. Mater. 等国际杂志的编委。

本文由纳米小白撰稿.