Adv.Mater.：金屬離子修飾黑磷能顯著增強其穩定性和晶體管性能

【引言】

黑磷（BP）作為一種蓬勃發展的二維半導體材料，與石墨烯一樣擁有二維層狀結構，展現出卓越的電學和光學特性，特別是作為場效應晶體管（FET）的通道材料，引起了科技界的廣泛關注。儘管其發展潛力巨大，但是當前需要考慮的實際問題還是BP的內在不穩定性和亟待提高的晶體管性能。

【成果簡介】

近日，中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員、深圳大學張晗教授和武漢大學廖蕾教授等人使用金屬離子修飾來提高黑磷（BP）片的穩定性，同時顯著提高了晶體管性能。該研究發表於Advanced Materials，題為「Metal-Ion-Modified Black Phosphorus with Enhanced Stability and Transistor Performance」。研究人員用Ag+修飾BP，使得自發吸附在BP表面上的Ag+通過陽離子-π相互作用，鈍化了P的孤對電子，從而BP在空氣中更穩定。因此，Ag+修飾的BP FET的空穴遷移率從796顯著增強到1666 cm2V-1s-1，開關比從5.9×104增大到2.6×106。該研究還討論了BP穩定性增強和致使晶體管性能提高的機理，提出該方法也可擴展應用到其他金屬離子，如Fe3+，Mg2+和Hg2+。此方法在極大地提高了BP片的穩定性和半導體性能的同時，修飾產生的穩定且高性能的BP晶體管對電子和光電器件的發展也具有重要的意義。

【圖文導讀】

圖1.Ag+吸附圖解

a）BP上吸附Ag+的示意圖。 b）BPAg(+)結構的三視圖。

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+修飾前後的BP片的拉曼光譜。d）Ag+修飾0~120分鐘後的一系列BP片拉曼光譜。右側為強度比例尺。

圖3. BPAg(+)和裸BP片粗糙度的表徵與分析

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

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

i）不同曝光時間下的BPAg(+)和裸BP片的表面粗糙度。

圖4. BP FET器件結構及性能表徵

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

b）在Ag+修飾0, 0.5, 1和2h後，室溫下BP FET器件的電流（對數坐標）對柵極電壓曲線。

c）FET器件的空穴遷移率和開關比與Ag+改性時間的函數關係。

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

圖5. 在空氣中暴露不同時間下的Id-Vg曲線

a）在空氣中暴露0-72小時的BPAg(+)FET器件的Id-Vg曲線。

b）作為對比，空氣中暴露0-24小時的BP FET器件的Id-Vg曲線。

【小結】

此項研究通過金屬離子修飾黑磷（BP），顯著增強了BP的穩定性和晶體管的性能；通過陽離子-π相互作用，遊離的Ag+自發地吸附於BP表面，鈍化P原子的孤對電子，使得BP在空氣中更穩定。Ag+修飾的BP FET達到1666 cm2V-1s-1的空穴遷移率，是裸BP空穴遷移率的2倍；開關比高達2×106，是裸BP開關比的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間，並且可以擴展應用到其他金屬離子。這項研究不但提供了一種提高BP穩定性和晶體管性能的簡單而有效的手段，而且所獲得的穩定BP FET在電子和光電子器件領域有著巨大的研究潛質。

文獻鏈接：Metal-Ion-Modified Black Phosphorus with Enhanced Stability and Transistor Performance (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703811)

本文由材料人計算材料組朱亞楠編譯，點我加入材料人編輯部。

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