【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張凱等在高質量黑磷薄膜的生長制備研究中取得重要進展，首次實現(xiàn)了在介質襯底上黑磷及其合金的高質量單晶薄膜制備。相關研究成果以Growth of single-crystal black phosphorus and its alloy films through sustained feedstock release為題，在線發(fā)表在《自然-材料》(Nature Materials)上。
黑磷以高載流子遷移率、寬廣可調(diào)的直接帶隙、原子層范德華集成等獨特性質，成為繼硅等半導體材料之后，面向下一代電子、光電子應用的重要備選材料之一。與硅基芯片依賴于高質量單晶硅的制備類似，大面積高質量黑磷二維原子晶體薄膜的制備是其走向規(guī)模化集成應用的基礎。
由于黑磷晶相苛刻的形成條件，薄膜生長過程中成核與成核密度難以控制，故現(xiàn)有方法制備的黑磷薄膜普遍為多晶結構，其晶體質量難以滿足高性能器件的應用需求。近年來，盡管已有一些階段性進展，例如，張凱團隊對黑磷薄膜生長展開了持續(xù)探索，通過相變誘導成核的設計實現(xiàn)了介質襯底上黑磷薄膜的成核與異質外延生長(Nature Communications 2020, 11, 1330)，但因生長可控性制約，薄膜的晶疇尺寸限于百納米級。高質量黑磷薄膜尤其是單晶薄膜的生長仍是亟待攻克的難題。
本研究設計開發(fā)了一種新的緩釋控源的生長策略，利用“分子篩”多孔供源通道控制磷源緩釋供給，維持穩(wěn)定的低壓生長環(huán)境，避免傳統(tǒng)的磷源對流供給模式而獲得可控的擴散供給模式，有效降低成核密度及晶體缺陷。
論計算表明，緩釋供源策略營造的準平衡低壓生長條件，顯著提高了成核勢壘而有效降低了成核速率，使薄膜生長保持層-層生長模式，最終得到均勻的高質量單晶薄膜。
研究利用這種技術率先突破了大面積黑磷單晶薄膜材料的生長，黑磷薄膜單晶晶疇尺寸達到亞厘米級，薄膜的厚度可以通過磷源供應量在幾納米到幾百納米范圍調(diào)節(jié)，在充足磷源供應和生長時間下薄膜可以生長至覆蓋整個襯底。所生長的黑磷單晶薄膜的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達6500 cm2V-1s-1、開關比106，并首次在直接生長的黑磷薄膜中觀測到Shubnikov-de Haas量子振蕩。該生長技術可推廣到黑磷合金的單晶薄膜生長，并實現(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。
該工作突破性解決了黑磷及其合金的單晶薄膜制備問題，有望推動黑磷材料體系在后摩爾時代高密度異質集成電子及新型光電子器件等方面的廣泛應用。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省重點研發(fā)計劃等的資助，并獲得蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X)在材料表征上的支持。該研究由蘇州納米所、華東師范大學、中科院物理研究所、湖南大學和武漢大學合作完成。
圖1.黑磷單晶薄膜的生長以及單晶質量表征
圖2.黑磷單晶薄膜的電學性能及其合金薄膜的直接帶隙覆蓋范圍
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