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【引言】

黑磷（BP）作為一種蓬勃發(fā)展的二維半導(dǎo)體材料，與石墨烯一樣擁有二維層狀結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出卓越的電學(xué)和光學(xué)特性，特別是作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的通道材料，引起了科技界的廣泛關(guān)注。盡管其發(fā)展?jié)摿薮?，但是?dāng)前需要考慮的實(shí)際問(wèn)題還是BP的內(nèi)在不穩(wěn)定性和亟待提高的晶體管性能。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院喻學(xué)鋒研究員、深圳大學(xué)張晗教授和武漢大學(xué)廖蕾教授等人使用金屬離子修飾來(lái)提高黑磷（BP）片的穩(wěn)定性，同時(shí)顯著提高了晶體管性能。該研究發(fā)表于Advanced Materials，題為“Metal-Ion-Modified Black Phosphorus with Enhanced Stability and Transistor Performance”。研究人員用Ag+修飾BP，使得自發(fā)吸附在BP表面上的Ag+通過(guò)陽(yáng)離子-π相互作用，鈍化了P的孤對(duì)電子，從而BP在空氣中更穩(wěn)定。因此，Ag+修飾的BP FET的空穴遷移率從796顯著增強(qiáng)到1666 cm2 V-1s-1，開關(guān)比從5.9×104增大到2.6×106。該研究還討論了BP穩(wěn)定性增強(qiáng)和致使晶體管性能提高的機(jī)理，提出該方法也可擴(kuò)展應(yīng)用到其他金屬離子，如Fe3+，Mg2+和Hg2+。此方法在極大地提高了BP片的穩(wěn)定性和半導(dǎo)體性能的同時(shí)，修飾產(chǎn)生的穩(wěn)定且高性能的BP晶體管對(duì)電子和光電器件的發(fā)展也具有重要的意義。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. Ag+吸附圖解

a）BP上吸附Ag+的示意圖。 b）BPAg(+)結(jié)構(gòu)的三視圖。

圖2. 拉曼光譜信息

a）P 2p的HR-XPS光譜。b）Ag 3d的HR-XPS光譜。

c）Ag+修飾前后的BP片的拉曼光譜。d）Ag+修飾0~120分鐘后的一系列BP片拉曼光譜。右側(cè)為強(qiáng)度比例尺。

圖3. BPAg(+)和裸BP片粗糙度的表征與分析

a-d）暴露于空氣中1d（a），3 d（b）和5 d（c）的裸BP片的AFM圖像，以及相應(yīng)的剖面高度（d）。

e-h）暴露于空氣中1 d（e），3 d（f）和5 d（g）的BPAg(+)片的AFM圖像（e-g）和相應(yīng)的剖面高度（h）。

i）不同曝光時(shí)間下的BPAg(+)和裸BP片的表面粗糙度。

圖4. BP FET器件結(jié)構(gòu)及性能表征

a）SiO2厚度為300nm的硅襯底上的BP FET器件的顯微圖像（頂圖）和結(jié)構(gòu)示意圖。

b）在Ag+修飾0, 0.5, 1和2h后，室溫下BP FET器件的電流（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）對(duì)柵極電壓曲線。

c）FET器件的空穴遷移率和開關(guān)比與Ag+改性時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。

d）Ag+修飾2小時(shí)后，Vg以20V的步長(zhǎng)，從-60掃至60V時(shí)，BPAg(+) FET器件偏置電壓特性曲線。

圖5. 在空氣中暴露不同時(shí)間下的Id-Vg曲線

a）在空氣中暴露0-72小時(shí)的BPAg(+) FET器件的Id-Vg曲線。

b）作為對(duì)比，空氣中暴露0-24小時(shí)的BP FET器件的Id-Vg曲線。

【小結(jié)】

此項(xiàng)研究通過(guò)金屬離子修飾黑磷（BP），顯著增強(qiáng)了BP的穩(wěn)定性和晶體管的性能；通過(guò)陽(yáng)離子-π相互作用，游離的Ag+自發(fā)地吸附于BP表面，鈍化P原子的孤對(duì)電子，使得BP在空氣中更穩(wěn)定。Ag+修飾的BP FET達(dá)到1666 cm2 V-1 s-1的空穴遷移率，是裸BP空穴遷移率的2倍；開關(guān)比高達(dá)2×106，是裸BP開關(guān)比的44倍之多。與其他表面修飾方法相比，該方法不但可以控制離子濃度和修飾時(shí)間，并且可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他金屬離子。這項(xiàng)研究不但提供了一種提高BP穩(wěn)定性和晶體管性能的簡(jiǎn)單而有效的手段，而且所獲得的穩(wěn)定BP FET在電子和光電子器件領(lǐng)域有著巨大的研究潛質(zhì)。