中國粉體網訊 近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張凱與湖南大學教授潘安練、深圳大學教授張晗合作，在《自然-通訊》（Nature Communications）上發表題為Epitaxial nucleation and lateral growth of high-crystalline black phosphorus films on silicon 的研究論文，報道了一種在硅等介質基底上生長高結晶性黑磷薄膜的方法。
黑磷是一種具有高載流子遷移率、0.3~1.5 eV隨厚度可調直接帶隙以及各向異性等優異性質的二維層狀半導體材料，在新型電子和光電子器件等領域，如高遷移率場效應晶體管、室溫寬波段紅外探測器及多光譜高分辨成像等方面具有獨特的應用優勢，受到廣泛關注。然而，黑磷的大規模應用開發迄今仍受限于大面積、高質量薄膜的制備。傳統上，黑磷可以通過高溫高壓、汞催化或從鉍溶液中重結晶等方法來制備。通過礦化劑輔助氣相輸運法（CVT）則可進一步提高其產率和結晶度。但是，這些方法僅可獲得黑磷晶體塊材，很難直接在襯底上生長黑磷薄膜。最近，也有研究人員通過脈沖激光沉積或借鑒高溫高壓法嘗試在介質襯底上直接生長黑磷薄膜。然而，獲得的薄膜多為非晶態，晶粒尺寸小、遷移率等電學性能不理想，離實際應用需求相距甚遠。盡管很多研究都做出了巨大努力，包括張凱團隊前期在黑磷生長、摻雜、復合所做出的持續性工作嘗試（Small 2016, 12, 5000; Adv. Funct. Mater. 27, 1702211, 2017; Nature Commun. 9, 4573, 2018），但如何在基底上實現黑磷成核進而高結晶性薄膜的可控生長依然是一大挑戰。
作者在這項工作中，開發了一種新的生長策略，引入緩沖層Au3SnP7作為成核點，誘導黑磷在介質基底上的成核生長。在以往報道的CVT方法中，以Au或AuSn作為前驅體生長黑磷晶體時，Au3SnP7是其中重要的中間產物之一。作者考慮以Au3SnP7來誘導黑磷成核，主要是注意到兩點：一是Au3SnP7在黑磷生長過程中可以非常穩定地存在；二是其（010）面的磷原子排布與黑磷（100）面具有匹配的原子結構。基于此，作者通過在襯底上生成Au3SnP7來控制黑磷的成核和生長。其中Au3SnP7的形成是將沉積了Au薄膜的硅襯底與紅磷、Sn、SnI4前驅體一起在真空封管中加熱獲得，其形貌通常為分散在硅襯底上的規則形狀晶體，尺寸數百納米。在隨后的保溫過程中，發生P4相向黑磷相的轉變并在Au3SnP7緩沖層上外延成核。這一假定可以從高分辨截面TEM圖像得到印證，可以清晰看到黑磷與Au3SnP7有序共存以及它們之間原子級平滑的界面。隨后，在持續的磷源供給及降溫過程中，會觀察到過渡態黑磷納米片產物及其在硅襯底上的生長、融合，最終獲得表面平整潔凈的連續黑磷薄膜。
在生長過程中，P4蒸氣的過快輸運不利于黑磷薄膜形貌、厚度的控制。為了實現可控的黑磷薄膜生長，作者設計了幾種方法來減少參與相變轉化的P4源。其一，將紅磷置于低溫側，而黑磷薄膜的生長置于遠端的高溫側。由此，升華而成的P4分子需經歷逆溫度梯度的熱動力學輸運到生長的襯底端，其輸運速度及參與反應的量得以有效控制。此外，將多片鍍有Au膜的硅襯底疊放，利用襯底之間非常狹小的間隙來限制擴散進入襯底間、在Au3SnP7緩沖層上實際參與生長的P4分子的量。通過這些策略，可以在硅襯底上生長出厚度從幾納米到幾百納米可調的黑磷薄膜。隨著厚度的增加，可獲得的薄膜尺寸也相應越大。當厚度約為100 nm或以上時，很容易生長出幾百微米至亞毫米大小的黑磷薄膜。
所生長的黑磷薄膜具有良好的結晶性及優異的電學性質，室溫下的場效應遷移率和霍爾遷移率分別超過1200 cm2V-1s-1和1400 cm2V-1s-1，開關比高達106，與從黑磷晶體中機械剝離的納米片相當。此外，比較有趣的是，生長的黑磷薄膜還顯示出獨特的層狀微觀結構，由幾納米厚（~5-10 nm）的黑磷層作為單元有序堆疊構成，單元之間保持大致等量納米級的微小間隙。這樣特異的微結構，使得生長的黑磷薄膜相比于常規層間致密堆疊結構黑磷薄膜還表現出優異的光學性能，在紅外波段具有增強的紅外吸收和光致發光等特性。
這項工作為大面積、高質量黑磷薄膜的可控制備提供了新途徑，也進一步推進了黑磷在高通量器件集成以及新型光電子器件開發等方面的廣泛應用。相關研究成果發表在《自然-通訊》期刊上（Nature Communications，DOI:10.1038/s41467-020-14902-z）。該工作獲得國家優秀青年科學基金（61922082）等的經費支持，以及蘇州納米所納米真空互聯實驗站（Nano-X）在表征測試上的大力幫助。
（中國粉體網編輯整理/江岸）
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