大尺寸高质量二维锑烯可控制备及电输运性能研究

Antimonene is a newly-emerging two dimensional material in recent years. Theory studies predicted that antimonene has many novel physical and chemical properties, such as high stability, high carries mobility and semimetal-semiconductor phase transition. However, its controllable synthesis and properties investigation are relatively limited. High quality, large size of antimonene will be prepared by combining van der Waals epitaxy and Chemical Vapour Deposition (CVD) technology; By adjusting the growth parameter such as substrate, precursor, temperature, temperature grade, flow rate and ratio of carries gases, different layers of antimonene will be controlled synthesized. By analysising the thermodynamics and dynamics growth mechanism and process, optimizing the growth parameter, single layer of antimonene will be controlled synthesized. By using the as prepared antimonene with different layers as the building block, four-probe method with hall bar configuration will be employed to investigate the phase transition and the relationships of layers with its physical properties. By adopting electron double layer transistor technique, carriers concentration of different layers antimonene will be adjusted to study the phase transition law under continuous applied voltage. Using the synthesized single layer antimonene as the active layer, field effect transistors will be fabricated. By optimizing the device preparation technology, high carries mobility of antimonene is hoped. This work will make a progress for experimental support to the theory study. Meanwhile, the research will promote the development of antimonene in electronic and optoelectronic field.

锑烯是近年来发现的新兴二维材料，理论预测其具有高稳定性、高载流子迁移率以及半金属-半导体电子结构转变等优异的物理化学性质，然而其大尺寸高质量可控制备成为制约该材料基础研究和应用开发的难题。基于化学气相沉积法(CVD)生长二维材料的优势，本项目提出利用范德华外延CVD法生长二维锑烯新思路；通过筛选对称性匹配基底、合适锑源及调控合适生长温度等手段控制锑烯在基底成核扩散速率，发展大尺寸、高质量、层数可控的锑烯制备新技术；采用hall bar结构四电极法系统研究不同层数锑烯的温度-电阻特性，揭示锑烯的层数与其半金属/半导体电子结构转变之间的对应关系；采用双电层晶体管技术为锑烯层内聚集高浓度载流子并研究该情况下锑烯在连续电压下的相变规律；利用二维氮化硼作为栅介质层，研究锑烯场效应晶体管性能，期待获得理论预测的高载流子迁移率。本项目研究将加快锑烯二维材料在电子和光电子器件领域的基础和应用研究步伐。

在国家自然科学基金委员会的支持下，在过去的三年里，何学侠副教授研究小组按照“大尺寸高质量二维锑烯可控制备及电输运性能研究”项目申请书所提出的研究任务，主要基于锑稀以及相关二维材料的制备与性能研究开展了以下几个方面的研究工作：（1）由锑晶体出发，分别发展出高温液相法、嵌锂插层剥离法及溶剂辅助剥离法可控制备大尺寸高质量超薄锑稀纳米片的新方法；（2）基于嵌锂插层剥离法制备的高质量超薄锑稀纳米片，构筑了锑稀纳米片修饰的钙钛矿太阳能电池器件，锑稀可以诱导钙钛矿晶体沿Sb纳米片(012)面外延生长，促进钙钛矿沿(100)方向取向生长，该锑稀-钙钛矿的异质结结构使得钙钛矿结晶质量提高。Sb纳米片修饰的FA0.85MA0.15PbI3钙钛矿太阳电池的开路电压和填充因子获得明显提升，开路电压由1.05 V提升到1.10 V，填充因子由76.16%提升到79.22%。器件的光电转换效率从20.09%达到22.24%，为锑稀在太阳能电池光电子器件中的应用奠定了良好的研究基础。（3）采用溶剂热辅助法，可控制备出了高质量大尺寸二维黑磷，为开发多功能集成电子器件提供了新的机遇；（4） 开发出FTO衬底辅助制备SnS2空心球的新方法（5）基于表面活性剂辅助，一步法制备出VS2空心球，该材料在长循环钠离子电池中显示出优异性能。.在本项目的支持下，共发表高水平学术论文7篇，申请国家发明专利2项，获批陕西省基金1项，获批陕西省“青年千人”人才计划项目一项，培养博士研究生1名，硕士研究生4名，本科生10余名。无论从项目的执行过程，项目的成果产出，还是从项目的人才培养情况来看，本项目都较为圆满的完成了预定的研究任务。