黑磷的可控掺杂及其光电器件研究

Black phosphorus is a direct semiconductor with adjustable bandgap, high hole mobility, strong intrinsic in-plane anisotropy. We will fabricate black phosphorus by solid reaction and optimize its growth conditions, and grow the thin film of black phosphorus on substrate directly; fabricate single- or few-layer black phosphorus, and observe their structure, defects, and edge by STEM and STM; move P atoms in single-layer phosphorus to create defects; figure out the relationship between the electronic structure and the defects in black phosphorus; investigate the optical and electronic properties of few-layer black phosphorus; fabricate field effect transistors based on single- and few-layer phosphorus; figure out the origin of hole and mechanism of p-type conduction in undoped black phosphorus; realize the controllable doping of black phosphorus; fabricate photodetectors based on black phosphorus pn junction and optimize their property. The implementation of this project will be helpful for black phosphorus applications, such as electronic devices, spin electronic devices and NIR optoelectronic devices, and will be of great scientific significance and application value.

黑磷是具有可调能隙宽度，高空穴迁移率，显著各项异性热、电输运性能的直接带隙半导体，通常呈现典型的p型导电特性。本课题拟在以往工作的基础上，开发生长高质量黑磷晶体的核心技术，并在衬底上直接生长黑磷薄膜；制备单层及多层黑磷，利用扫描透射电镜及扫描隧道电镜研究其结构及缺陷，诸如空位和间隙磷及边界；利用扫描隧道电镜探针移动原子在单层黑磷中制造空位及间隙缺陷；探究缺陷、边界等与黑磷电子结构的关系；深入研究黑磷的光学及电输运性能；制作并测试分析基于单层及多层黑磷的场效应晶体管；结合理论计算，确定黑磷p型载流子来源，明晰p型导电的物理机制；实现黑磷的可控掺杂；制作基于黑磷同质pn结的光电器件并优化其性能。因此本项目的成功实施有望使黑磷成为石墨烯和过渡族金属二类硫化物等的补充甚至替代它们在电学器件、自旋电子器件和光电器件尤其是近红外光电器件等方面得到广泛应用，具有非常重要的理论意义及应用价值。

黑磷是具有可调能隙宽度，高空穴迁移率，显著各项异性热、电输运性能的直接带隙半导体，通常呈现典型的p型导电特性。在项目执行期间，我们结合项目研究内容，在以下几个方面开展了深入的研究：.1、高质量单晶黒磷的可控规模化生长。我们发展了一种温和条件规模化生长黒磷的方法，黒磷产量和质量完全达到市场上同类产品水平，成本大幅降低，授权中国发明专利一项；采用金属铅代替金属锡作为输运剂进一步提升了单晶黒磷的质量，基于Pb生长的黒磷场效应晶体管迁移率显著提升；并且通过控制生长条件，成功制备了沿Zigzag方向生长的纳米带，并且具有良好的输运特性，在锂离子电池方面有着潜在的应用前景。.2、少层或多层单晶黒磷的规模化制备。常规机械剥离法制备少层或多层黒磷产量低，我们通过金、银等金属薄膜辅助机械剥离块体黑磷获得大面积多层黑磷薄膜，由于金、银薄膜与黑磷间的作用大于黑磷层间的范德瓦尔斯力，有利黑磷薄膜的剥离，相对于普通机械剥离法，其产率、多层黑磷薄膜的面积均有大幅度的提高，在此基础上制作FETs，其迁移率及开关比与常规机械剥离法获得的黑磷薄膜相当。.3、单晶黑磷的可控掺杂。用温和且低成本的CVT方法成功合成了Te掺杂的BP单晶。BP-FETs的分析测试表明，Te-BP FET比未掺杂的BP FET具有更好的电传输性能。掺Te的BP器件具有良好的双极性，室温下的最高空穴迁移率是719 cm2V-1s-1，是未掺杂BP的3.7倍，电子迁移率是63 cm2V-1s-1。 呈现出显著地双极性输运性质。我们开发了一种结合表面电荷转移掺杂和钝化的方法，以使用h-BN薄层封装和金属氧化物（HfO2和MgO）修饰来改善BPFET的性能。.4、用磁控溅射在黑磷表面沉积Pt薄膜，通过控制溅射时间可以实现黑磷从双极型到单n型的输运特性调控，实现黑磷的n型掺杂。离子液体电场调控方法在黑磷少层薄膜中注入载流子方面也取得了初步进展，注入前呈现p型导电特性注入后呈现n型导电特性。在此基础上制作基于黒磷pn结的光电器件。.因此本项目的研究成果有望使黑磷成为石墨烯和过渡族金属二类硫化物等的补充甚至替代它们在电学器件、自旋电子器件和光电器件尤其是近红外光电器件等方面得到广泛应用，具有非常重要的理论意义及应用价值。