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中国半导体十大研究进展候选推荐(2023-014)——黑磷及其合金单晶薄膜生长

已有 728 次阅读 2023-10-10 10:16 |系统分类:论文交流

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工作简介

         ——黑磷及其合金单晶薄膜生长


武汉大学何军教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张凯研究员等团队合作,在黑磷薄膜的生长制备研究中取得重要进展,首次实现了介质衬底上黑磷及其合金的高质量单晶薄膜制备。相关研究成果以“Growth of single-crystal black phosphorus and its alloy films through sustained feedstock release”为题,于2023年3月23日发表在《自然∙材料》期刊(Nature Materials 22, 717-724, 2023)。

黑磷以其高载流子迁移率、宽广可调的直接带隙、原子层范德华集成等独特性质,成为了继硅等半导体材料之后,面向下一代电子、光电子应用的重要备选材料之一。与硅基芯片依赖于高质量单晶硅的制备类似,大面积高质量黑磷原子晶体薄膜的制备是其走向规模化集成应用的基础。由于黑磷晶相苛刻的形成条件,薄膜生长过程中成核与成核密度难以控制,现有方法制备的黑磷薄膜普遍为多晶结构,其晶体质量难以满足高性能器件的应用需求。尽管已有一些阶段性的进展被报道,高质量黑磷薄膜尤其是单晶薄膜的生长仍然是亟待攻克的难题。

基于上述挑战,合作团队设计开发了一种新的缓释控源的生长策略,首次实现了硅衬底上亚厘米级尺寸高质量黑磷及其合金单晶薄膜的制备。该技术突破的核心在于利用“分子筛”多孔供源通道控制磷源缓释供给,维持稳定的低压生长环境,避免传统的磷源对流供给模式而获得可控的扩散供给模式,有效降低成核密度及晶体缺陷。理论计算表明,缓释供源策略营造的准平衡低压生长条件,显著提高了成核势垒而有效降低了成核速率,使薄膜生长保持层-层生长模式,最终得到均匀的高质量单晶薄膜。利用这种技术所生长的黑磷薄膜单晶晶畴尺寸达到亚厘米级,薄膜的厚度可以通过磷源供应量在几纳米到几百纳米范围调节,在充足磷源供应和生长时间下薄膜可以生长至覆盖整个衬底。所生长的黑磷单晶薄膜的XRD (004)衍射峰的半峰宽仅为0.08°,显示出优异的单晶性。


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图1. 黑磷单晶薄膜的生长以及单晶质量表征。


低温下载流子迁移率高达 6500 cm2V-1s-1,开关比106,并首次在直接生长的黑磷薄膜中观测到了Shubnikov-de Haas量子振荡。该生长技术还可以推广到黑磷合金的单晶薄膜生长,并可实现合金组分依赖的能带工程,使黑磷薄膜的室温红外发光拓宽到可覆盖3.7-6.9 μm的光谱范围。 


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图2. 黑磷单晶薄膜的电学性能及其合金薄膜的直接带隙调控范围。


此项工作突破性解决了黑磷及其合金的单晶薄膜制备问题,有望推动黑磷材料体系在后摩尔时代高密度异质集成电子及新型光电子器件等方面的广泛应用。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈程、华东师范大学殷玉玲和中国科学院物理研究所张仁聪为论文共同第一作者,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张凯、湖南大学潘安练和武汉大学何军为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等专项的资助。

作者简介

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通讯作者

何军,武汉大学二级教授、博士生导师。

长期致力于新型低维半导体材料及其电子、光电子器件应用研究。已在Science,Nature Materials,Nature Nanotechnology,Nature Electronics,Nature Communications,Science Advances等著名国际期刊发表SCI论文200余篇,他引20000余次;出版专著一部;获中国发明授权专利近30项。国家杰出青年基金获得者、科技部中青年科技创新领军人才、科技部国家重点研发计划首席科学家。获得教育部自然科学一等奖、北京市自然科学一等奖、湖北省自然科学奖一等奖、中国材料研究学会科学技术奖一等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖,均为第一完成人。并获得国际材料研究学会联盟(IUMRS)-前沿科学家奖(FMSA)。现任湖北省物理学会理事长、中国材料研究学会纳米材料与器件分会副理事长。高教社&Springer合作期刊Frontiers of Physics主编,Sci. Bull.副主编、Elsevier旗下Mater. Today Chem.副主编。

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通讯作者

张凯,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员,博士生导师。

主要从事黑磷等窄带隙二维材料的可控生长及其红外、太赫兹激光与探测器件的应用研究工作。在Nature Materials、Nature Communications、Advanced Materials等学术期刊发表SCI论文100余篇,他引4000余次;获授权美国和中国发明专利16项;近年来在国际重要学术会议做邀请报告、分会主席、大会副主席等30余次。国家杰出青年科学基金获得者,入选中国科学院“率先行动”引才计划,曾获得纳米研究青年科学家奖(NR45 Young Innovators Award)、中国发明协会“发明创业奖创新奖”一等奖等。现担任中国电子学会青年科学家俱乐部半导体科技专委会副秘书长、中国光学工程学会微纳专委会材料组组长,IOP Publishing中国区顾问编委,InfoMat青年顾问编委,JPhys Materials、Advanced Materials and Devices、功能材料与器件等期刊编委。

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第一作者

,中国科学技术大学博士研究生。

2014年本科毕业于南京理工大学化学与化工学院,现为中国科学技术大学与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所联合培养博士研究生。主要研究方向为黑磷半导体薄膜的制备及其红外光电应用研究。目前发表SCI论文12篇,其中以第一作者发表Nature Materials、Science China Information Sciences等JCR一区论文4篇,申请发明专利2项。获得第二十四届全国半导体物理学术会议最佳海报奖。

原文传递


详情请点击论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01516-1




https://wap.sciencenet.cn/blog-3406013-1405374.html

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