二维原子晶体黑磷的可控生长及其各向异性光、电性质研究

Two-dimensional (2D) atomic crystal black phosphorus (BP) is a new semiconductor material, its superior electrical, optical and unique anisotropic properties make it have great application potential in the field of electronic, optoelectronic and new concept devices. However, the difficulty in controlled preparing large area 2D BP is one of the bottlenecks which restrict the material's research and application. In this project, we propose a van der Waals epitaxial-based chemical vapor transport growth method to controlled prepare large area 2D BP, which is inspired by the chemical vapor transport growth of bulk BP single crystal and the van der Waals epitaxial growth of other 2D materials. Through introducing an appropriate substrate in the chemical vapor transport system, the van der Waals force between substrate and material will induce BP epitaxial growth on the substrate, with this approach to realize the preparation of large area, high-quality and layer number controllable 2D BP material. Then, studying the strain modulation of the optical and electrical anisotropic of 2D BP to establish the relations between strain, structure and anisotropy, which is helpful to get the desired anisotropic properties with strain modulation. In addition, the relevance and synergy effect of the optical and electrical properties of BP among different lattice directions will be studied by using in situ optical-electrical measurement. Above research will provide valuable information and idea for designing and constructing the anisotropic-based new devices.

二维原子晶体黑磷优异的光、电性质和独特的各向异性使其在电子、光电子和新概念器件领域有巨大的潜在应用，但大面积二维黑磷的可控制备是制约该材料研究和应用的主要瓶颈问题之一。本项目借鉴化学气相传输生长块体黑磷单晶和范德华外延生长其它二维层状材料的思想，提出基于范德华外延的化学气相传输生长方法，可控制备大面积二维黑磷材料，并对所制备材料的光、电各向异性进行研究。通过在化学气相传输体系中引入适当的生长基底，利用基底与生长材料间的范德华力诱导黑磷在基底表面逐层外延生长，实现大面积、高质量、层数可控二维黑磷的制备；通过研究应力对黑磷光、电各向异性的调控作用，建立应力、晶格结构和各向异性之间的定性和定量关系，以实现通过应力调控获得所需的各向异性；采用原位光-电测量方法，研究黑磷不同晶格方向光、电性质的内在联系和协同作用，为构筑基于黑磷各向异性的新型光电器件提供理论依据和技术支持。

在国家自然科学基金委员会的支持下，在过去的四年里，徐华副教授研究小组按照“二维原子晶体黑磷的可控生长及其各向异性光、电性质研究”项目申请书所提出的研究任务，主要开展了以下几个方面的研究工作：（1）发展出静电功能化方法，制备出了大尺寸、长时间稳定的水系分散的黑磷纳米片，并构筑了基于黑磷各向异性的二维异质结；（2）基于空间限域和表面限域的思想，发展了一种二维半导体材料化学气相沉积生长新方法，有效控制了材料的成核密度和生长速率，实现了ReX2材料的大面积可控制备；（3）采用一步外延生长方法，制备出了1T' ReS2xSe2(1-x)合金材料，并通过调控合金组份实现了其带隙（1.32-1.62 eV）和电学属性（n型-双极性-p型）的连续可调；该二维合金材料表现出优异的各向异性电学和光电性质。（4）采用两步外延生长方法，构筑出了具有多样界面结构和线性二色性的1T' ReS2-ReSe2异质结，为开发多功能光电子器件提供了新的机遇；（5）基于热力学和动力学二元协同策略，实现了二维单晶MoTe2材料的2H和1T'两相控制制备；（6）采用化学气相沉积生长法，制备出了高晶格质量的准二维Sb2Se3纳米线，并构筑出基于该材料的近红外（900 nm）、高响应速率（5 ms）的光电探测器。.在本项目的支持下，共发表高水平学术论文9篇，获批国家发明专利1项，申请并获批陕西省（省部级）基金2项，培养硕士研究生4名，本科生10余名。可以说，无论是从项目的执行过程，项目的成果产出，还是从项目的人才培养来看，本项目都比较圆满完成了预定的研究任务。