金屬離子修飾黑磷示意圖; (b) 黑磷晶體管顯微照片和結構示意圖; (c) 銀離子修飾黑磷晶體管的載流子遷移率和開關比.
近日, 中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員團隊與深圳大學教授張晗, 武漢大學教授廖蕾團隊合作, 在二維黑磷領域取得新進展, 通過金屬離子修飾的方法製備出高穩定性高性能黑磷晶體管. 相關成果發表於材料學領域刊物《先進材料》上. 論文第一作者是博士郭志男, 第一單位是中科院深圳先進院.
近年來, 與石墨烯一樣擁有二維層狀結構的黑磷展現出卓越的電學和光學特性, 被視為新的超級材料, 其在晶體管, 光電器件, 催化和生物醫學領域擁有巨大應用潛力. 然而, 黑磷的不穩定性限制了其在很多領域深入的研究和應用. 為解決黑磷的這一難題, 喻學鋒團隊曾先後基於配位化學和共價化學原理, 有效提高了黑磷的穩定性. 然而, 如何在增強穩定性的同時, 保持甚至提高黑磷的電學性能是當前該領域所面臨的一個關鍵難題.
在本項研究中, 研究團隊發明了一種金屬離子修飾黑磷的方法, 通過陽離子-π相互作用, 在溶劑中自由分散的金屬陽離子 (如銀離子) 可以自發的吸附到黑磷的表面, 鈍化黑磷中磷原子的孤對電子, 進而極大提高了黑磷片層的穩定性. 與此同時, 金屬離子的修飾過程相當於在黑磷中引入了更多的空穴, 可調控本來雙極性偏p型的黑磷的半導體特性, 其空穴傳導側的輸運性質得到進一步提升. 如銀離子修飾後, 黑磷的載流子遷移率提高了一倍, 開關比提高兩個數量級. 由於金屬離子和黑磷之間是一種較弱的超分子相互作用, 金屬離子對黑磷的修飾過程較之前開發的化學方法更加可控, 而且普適性更高, 除銀離子外, 鎂離子, 鐵離子, 汞離子都可以實現對黑磷穩定性的增強和半導體特性的調控.
這種技術為製備高穩定性, 高性能黑磷晶體管提供了一種簡單有效的新方法, 並可極大拓展黑磷在各種電子和光電器件領域的應用.
本項工作得到了國家自然科學基金, 中科院前沿科學研究重點計劃, 深圳市孔雀團隊, 深圳市基礎研究布局等項目的資助.
