黑磷摻雜改性研究獲進展

黑磷，作為新型的二維材料，具有可調的帶隙（通過厚度調控）以及大於1000 cm2V-1s-1的電子遷移率，既能彌補石墨烯零帶隙的不足，也能克服TMDCs載流子遷移率低的缺點，是高性能的納米電子器件的優秀候選材料。本徵黑磷是P型材料，空穴傳輸能力強，但電子傳輸能力很差。單極性特性使黑磷很難在互補型器件上發揮作用。因此，對黑磷進行N型摻雜是黑磷應用於半導體器件領域（如邏輯門、光電二極體、LED和太陽能電池等）的重要措施。

現有對黑磷進行N型摻雜的方法有三種。取代摻雜法，包括離子注入和等離子體處理等；表面電荷轉移法，涉及氣體分子、金屬顆粒、有機物和氧化物；場致摻雜法，取代摻雜法可使少數二維材料完成N型摻雜，但會引入缺陷態以及電荷雜質散射中心導致載流子傳輸特性嚴重衰減。表面電荷轉移法是一種有效摻雜的方法，但表面電荷轉移法中引進的有機物等材料會導致器件不穩定還使得器件與傳統半導體器件的兼容性差。場致摻雜中常用到的SixNy擁有高密度的正電荷中心（K+中心），該中心源於+Si≡N3的懸掛鍵。利用SixNy進行場致摻雜已應用於硅基太陽能電池和WSe2二維器件。此外，SixNy是傳統的COMS相容材料，常用作於集成電路中的絕緣層和化學勢壘等，SixNy也是防水的鈍化材料。至今為止，仍沒用報告利用SixNy的場致效應對黑磷進行N型摻雜。

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張凱課題組致力於黑磷的生長、摻雜改性、器件製備和測試等研究工作，前期他們研究了用礦化劑輔助氣相相變法生長硒摻雜黑磷以及在光探測器和飛秒激光器方面的應用，相關工作發表在small和J. Mater. Chem. C上。基於上述研究成果，近日張凱課題組等與深圳大學教授張晗合作，首次研究了利用具有場致效應的SixNy對黑磷進行N型摻雜，將P型黑磷轉變成N型黑磷，電子遷移率達到176cm2V-1s-1。此外，研究人員通過原始的P-型黑磷和摻雜後的N型黑磷構造出了黑磷P-N結二極體，進一步製備出新型的黑磷基邏輯反相器。研究人員利用無揮發性、COMS兼容和穩定性較好的SixNy對黑磷進行N性摻雜，並設計出黑磷平面PN型二極體和黑磷邏輯反相器，該策略也為其他二維材料的摻雜提供了可行性方案。該項成果發表在Advanced Functional Materials上。

研究工作得到了中科院「百人計劃」、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等的支持。

圖1.（a）SixNy場致N摻黑磷的示意圖；（b）摻雜前和摻雜後的黑磷場效應晶體管的Isd-Vg曲線；（c）SixNy摻雜黑磷場效應晶體管不同溫度下的傳輸特性曲線，Vsd=100mV；（d）SixNy摻雜黑磷場效應晶體管暴露在空氣中一個月，其不同階段下的傳輸特性曲線，測試條件為：室溫、Vsd=100mV；（e）摻雜前於摻雜後黑磷的電子空穴遷移率與溫度的關係曲線；（f）摻雜後黑磷器件的電子和空穴遷移率隨時間的變化關係曲線。

圖2.（a）黑磷PN型二極體的光學圖像；（b）黑磷場效應晶體管和黑磷PN型二極體的Isd-Vsd曲線；（c）黑磷PN型二極體在不同柵極電壓下的Isd-Vsd曲線；（d）黑磷PN型二極體的整流比與柵極電壓的關係曲線。

圖3.（a）基於單層黑磷薄片的原始P型黑磷溝道和摻雜N型黑磷溝道構建成的黑磷邏輯反相器的示意圖；（b）不同外加偏壓下，輸出電壓與輸入電壓的關係曲線，插圖為增益；（c）100Hz頻率下，器件輸出電壓與輸入電壓關係曲線；（d）1000Hz頻率下，器件輸出電壓與輸入電壓關係曲線。

來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所

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