中国矿业大学Mater. Today Phys.综述：二维黑磷固有的和工程的性质

第一作者&通讯作者：钟全洁

通讯单位：中国矿业大学

链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100895

近日，中国矿业大学材料与物理学院的青年教师钟全洁以唯一作者身份在国际重要期刊Materials Today Physics 发表了题为“Intrinsic and engineered properties of black phosphorus”的综述文章 (DOI: 10.1016/j.mtphys.2022.100895)，深入讨论了黑磷固有的性质以及调控这些性质的策略。

【导读】

黑磷是一种二维层状半导体，具有可调的直接带隙、高载流子迁移率以及显著的平面内各向异性。这些特性为其在电子和光电子器件中的应用提供了无可比拟的应用优势。例如黑磷薄片可用于制备高性能场效应晶体管；利用三个原子层厚度的黑磷可以实现精准的光学偏振调控；作为电极材料，黑磷具有极高的质量容量。为了充分发挥黑磷的应用潜力，研究人员进行了大量的研究，以探索黑磷的固有性质，同时利用性质工程进一步获得想要的性质。该文章前半部分综述了二维黑磷电学、光学、热和力学性质，重点讨论这些性质随晶体取向、厚度和温度的演化行为；后半部分综述了利用应变、电场以及掺杂调节黑磷固有性质的策略，并对相关机制进行了详尽分析；最后从可获得性(availability)、耐用性(durability)、优越性(superiority)三个方面对黑磷研究和发展所面临的挑战和机遇提出了见解。

【成果掠影】

图1. 黑磷等材料的电学参数。(a)块状半导体、二维半导体和有机半导体带隙-载流子迁移率图。(b)二维半导体带隙-载流子迁移率-开/关比率图。

图2. (a)黑磷带隙随厚度的变化规律。(b)黑磷电导、电子有效质量和空穴有效质量随晶体方向的演化规律。(c)黑磷、二硫化钼、碲载流子迁移率和开/关比率随厚度的变化规律。(d) 黑磷、二硫化钼、二硫化钨载流子迁移率随温度的演化规律。

图3. (a)黑磷光致发光峰值强度和光学电导率随晶体方向的演化规律。(b)黑磷沿扶手椅和锯齿形方向的光吸收谱。(c)黑磷边缘和内部区域光致发光强度随激光偏振角的变化规律。(d)单层黑磷激子在实空间的波函数和能级。(e)1D速率/2D速率的理论图。(f)黑磷高次谐波谱。

图4. (a)黑磷等材料的杨氏模量-强度图。(b)黑磷、二硫化钼、氮化硼杨氏模量随厚度的变化规律。

图5. (a)声子散射示意图。(b)黑磷热导率随温度的演化规律。(c)黑磷等材料热导率的比较。(d)黑磷热导率随厚度的变化规律。

图6. 黑磷的应变工程。(a)黑磷施加单轴应变示意图。(b)拉伸应变、无应变、压缩应变下黑磷归一化的光致发光谱。(c)黑磷光致发光谱随应变的演化规律。 (d)黑磷光学带隙线性依赖于应变。

图7. 黑磷的电场工程。(a)黑磷电场工程示意图。(b)电-吸收机制示意图。(c)10nm厚黑磷带隙随电场的变化规律。(d)4nm厚黑磷带隙随电场的演化规律。

图8. 黑磷掺杂工程示意图。Ⅰ/Ⅴ, Ⅱ/Ⅳ, Ⅲ 分别代表表面掺杂、取代掺杂和插层掺杂区域。

图9. 黑磷从概念性的器件到商业化的设备需要在可获得性(availability)、耐用性(durability)、优越性(superiority)三个方面进一步研究。