超高迁移率二维层状磷化硼的制备及光电特性研究

It is a fascinating goal for materials scientists to pursue 2D semiconducting materials with higher mobility and excellent optoelectronic response. A few theoretical predictions shows that single-layer or few-layer 2H-BP are of intrinsic direct bandgap (0.31.34 eV) and their carriers mobilities could theoretically reach as high as 10^6 cm2 V-1 S-1 (the mobility is about 600 times larger than the predicted value in phosphorene) thereby being an ideal material for new types of optoelectronic devices and infrared biological imaging. However, the synthesis and experimental investigations of 2H-BP have not been reported so far and the relative optoelectronic properties have not been explored too. In this project, we would use CVD methods to synthesize 2H-BP crystal with similar graphene structure. Cooperated with theoretical simulations, we will deeply investigate the influence of various physical factors such as layer numbers, distortion, substrate, size, anisotropy etc. on 2H-BP electronic structures and carrier mobilities and reveal their manipulation by light, electric field, force, temperature and so on. We hope to seek effective ways to manipulate 2H-BP optoelectronic properties by microstructural design and provide good basis for physics and materials in order to fabricate new types of 2H-BP optoelectronic devices with unique properties.

追求具有更高载流子迁移率和优异光电响应的二维半导体材料一直是物理和材料学家不断努力的目标。少数理论报道显示，六方相单层或少层磷化硼（2H-BP）具有本征直接带隙（0.3-1.34 eV），其载流子迁移率可高达10^6 cm2 V-1 S-1 (约是磷烯理论迁移率的600倍)，是新型光电子器件和近红外生物成像的理想材料，但该材料合成及实验研究一直未见报道，相关光电特性研究更是一片空白。本项目拟采用化学气相沉积方法合成具有类石墨烯结构的2H-BP单晶，结合理论模拟，深入研究层数、形变、衬底、尺寸、各向异性等物理因素对2H-BP电子结构及载流子迁移率的影响，揭示光场、电场、力场、温度等物理因素对其电子结构和载流子迁移率的调控作用，寻求通过微结构设计达到人工调控2H-BP光电特性的有效途径，为制备具有更优异性能的新型2H-BP光电子器件作好物理和材料上的准备。

项目首先从理论上探究了层状2H相磷化硼（2H-BP）材料的结构稳定性，发现声子谱中没有虚频的存在，表明理论上是可实现的，随后进一步通过对不同层厚载流子（电子 e 和空穴 h）的有效质量(mx)、形变常数(E)、弹性模量(C)和迁移率(μ)等重要的性能参数的计算，发现了其具有超高的载流子迁移率（6.5×106 cm2 V-1 S-1，约是磷烯理论迁移率的 600 倍）和与厚度相关的本征直接带隙（0.31.34 eV），因此有近/远红外的光响应。实验上我们制备了层厚在几个微米、平面尺寸在微米以上的2H-BP单晶薄片，发现大尺寸的单晶常常因为刚玉管中氧分子的扩散使薄膜呈现有较多的氧元素成分，这使得在小尺寸2H-BP上通过机械剥离获得单层或少层结构变得十分困难，因此对2H-BP层状结构的研究主要集中在小样品的生长和性能的理论预测上，实验上得到了近100 cm2 V-1 S-1的载流子迁移率，因此尚需要更多的实验探索。针对大尺寸2H-BP较难合成的情况，我们顺其道而行之，运用经典的Slack理论，预测了层状h-BO材料的存在，计算发现其室温导热系数可达1400 W/mK，在500 K时仍有~1000 W/mK。为得到实验验证，我们用CVD法制备了h-BO层状材料，并用拉曼法测量了其导热系数可达300 W/mK以上，属较高的导热材料。在层状BP和BO材料研究的基础上，我们还扩展了对磷族单晶的探索，成功合成了层状紫磷单晶片，并研究了其量子限制效应引起的强近紫外的光发射，作为生物友好的材料，获得的发光特性可望在发光器件及在生物荧光标签上获得应用。此外，我们在原来指定工作内容的基础上，拓展了研究内容，把研究思想和成果用在相关或类似的材料和物理体系上，取得了丰硕的研究成果。如用CVD法制备了球形自组装的ZnO微米球、铑铁（RhFe）双金属烯等其它的金属化合物材料，还用水热法制备了Cu-MOF锚定Cu2O双异质结、超薄FeS纳米片、双金属MoReS3 “Janus”纳米片等，对它们的光电特性和光电化学催化特性进行了深入、系统的研究，取得了较为良好的研究效果，发表了高水平的学术论文12篇，分别获中国和美国发明专利4件和2件，培养了博士和硕士研究生10余名。