蘇州納米所張凱團(tuán)隊(duì)等Nature Materials:黑磷及其合金單晶薄膜生長(zhǎng)
近期,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張凱研究員與合作者在高質(zhì)量黑磷薄膜的生長(zhǎng)制備研究中取得重要進(jìn)展,首次實(shí)現(xiàn)了在介質(zhì)襯底上黑磷及其合金的高質(zhì)量單晶薄膜制備。相關(guān)研究成果以Growth of single-crystal black phosphorus and its alloy films through sustained feedstock release為題,在《自然·材料》(Nature Materials)期刊在線發(fā)表。
黑磷以其高載流子遷移率、寬廣可調(diào)的直接帶隙、原子層范德華集成等獨(dú)特性質(zhì),成為了繼硅等半導(dǎo)體材料之后,面向下一代電子、光電子應(yīng)用的重要備選材料之一。與硅基芯片依賴于高質(zhì)量單晶硅的制備類似,大面積高質(zhì)量黑磷二維原子晶體薄膜的制備是其走向規(guī)?;蓱?yīng)用的基礎(chǔ)。由于黑磷晶相苛刻的形成條件,薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中成核與成核密度難以控制,現(xiàn)有方法制備的黑磷薄膜普遍為多晶結(jié)構(gòu),其晶體質(zhì)量難以滿足高性能器件的應(yīng)用需求。近年來(lái),盡管已有一些階段性的進(jìn)展被報(bào)道,包括張凱研究員團(tuán)隊(duì)對(duì)黑磷薄膜生長(zhǎng)進(jìn)行了持續(xù)探索,此前通過(guò)相變誘導(dǎo)成核的設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)襯底上黑磷薄膜的成核與異質(zhì)外延生長(zhǎng)(Nature communication 2020, 11, 1330),但因生長(zhǎng)可控性制約,薄膜的晶疇尺寸限于百納米級(jí)。高質(zhì)量黑磷薄膜尤其是單晶薄膜的生長(zhǎng)仍然是亟待攻克的難題。
在這項(xiàng)工作中,張凱團(tuán)隊(duì)與合作者設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新的緩釋控源的生長(zhǎng)策略,利用“分子篩”多孔供源通道控制磷源緩釋供給,維持穩(wěn)定的低壓生長(zhǎng)環(huán)境,避免傳統(tǒng)的磷源對(duì)流供給模式而獲得可控的擴(kuò)散供給模式,有效降低成核密度及晶體缺陷。同時(shí)理論計(jì)算表明,緩釋供源策略營(yíng)造的準(zhǔn)平衡低壓生長(zhǎng)條件,顯著提高了成核勢(shì)壘而有效降低了成核速率,使薄膜生長(zhǎng)保持層-層生長(zhǎng)模式,最終得到均勻的高質(zhì)量單晶薄膜。利用這種技術(shù)率先突破了大面積黑磷單晶薄膜材料的生長(zhǎng),黑磷薄膜單晶晶疇尺寸達(dá)到亞厘米級(jí),薄膜的厚度可以通過(guò)磷源供應(yīng)量在幾納米到幾百納米范圍調(diào)節(jié),在充足磷源供應(yīng)和生長(zhǎng)時(shí)間下薄膜可以生長(zhǎng)至覆蓋整個(gè)襯底。所生長(zhǎng)的黑磷單晶薄膜的XRD (004)衍射峰的半峰寬僅為0.08°,顯示出優(yōu)異的單晶性,低溫下載流子遷移率高達(dá) 6500 cm2V-1s-1,開關(guān)比106,并首次在直接生長(zhǎng)的黑磷薄膜中觀測(cè)到了Shubnikov–de Haas量子振蕩。該生長(zhǎng)技術(shù)還可以推廣到黑磷合金的單晶薄膜生長(zhǎng),并實(shí)現(xiàn)合金組分連續(xù)調(diào)控的能帶工程,使黑磷薄膜的室溫紅外發(fā)光拓寬到可覆蓋3.7-6.9 μm的光譜范圍。
此項(xiàng)工作突破性解決了黑磷及其合金的單晶薄膜制備問(wèn)題,有望推動(dòng)黑磷材料體系在后摩爾時(shí)代高密度異質(zhì)集成電子及新型光電子器件等方面的廣泛應(yīng)用。中科院蘇州納米所博士生陳程、華東師范大學(xué)博士生殷玉玲和中科院物理所博士生張仁聰為論文共同第一作者,湖南大學(xué)潘安練教授、中科院蘇州納米所張凱研究員和武漢大學(xué)何軍教授為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助,以及中科院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X)在材料表征上的支持。
圖1.黑磷單晶薄膜的生長(zhǎng)以及單晶質(zhì)量表征
圖2. 黑磷單晶薄膜的電學(xué)性能及其合金薄膜的直接帶隙覆蓋范圍
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