黑磷及其合金單晶薄膜生長研究獲進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張凱等在高質(zhì)量黑磷薄膜的生長制備研究中取得重要進(jìn)展，首次實現(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(zhì)，成為繼硅等半導(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(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，盡管已有一些階段性進(jìn)展，例如，張凱團(tuán)隊對黑磷薄膜生長展開了持續(xù)探索，通過相變誘導(dǎo)成核的設(shè)計實現(xiàn)了介質(zhì)襯底上黑磷薄膜的成核與異質(zhì)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(zhì)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(shè)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(zhǔn)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(zhì)量單晶薄膜。研究利用這種技術(shù)率先突破了大面積黑磷單晶薄膜材料的生長，黑磷薄膜單晶晶疇尺寸達(dá)到亞厘米級，薄膜的厚度可以通過磷源供應(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(dá)6500 cm2V-1s-1、開關(guān)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(shù)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。

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圖1.黑磷單晶薄膜的生長以及單晶質(zhì)量表征

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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

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(zhì)集成電子及新型光電子器件等方面的廣泛應(yīng)用。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)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(xué)、中科院物理研究所、湖南大學(xué)和武漢大學(xué)合作完成。