Adv. Mater. 国内多校合作研究碲（Te）掺杂黑磷场效应晶体管

【引言】

二维材料，如单层石墨烯和过渡金属硫化物（TMDS），近年来引起了极大的关注，因为由于它们具有特殊的层状结构和奇异的物理性质，因而可以作为未来光电/电子技术的基石。多层黑磷（BP）是一种新发现的二维晶体。与石墨烯相比，它具有非零带隙，多层BP逐渐减薄到单层时具有一个从≈0.3到≈2.2 eV的可调直接带隙。由于多层BP纳米片场效应晶体管（FET）的成功制备，且具有达≈1000 cm2 V-1 s-1的高载流子迁移率高以及达≈10^5的大电流开/关比（ION / IOFF），过去两年大量的研究表明了利用BP纳米片制备高效光电/电子器件的潜力。

【成果简介】

燕山大学柳忠元教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所曾中明研究员、东南大学的王金兰教授以及中国科学院物理研究所王文洪研究员（共同通讯作者）等人的研究表明掺杂碲（Te）可以有效地提高BP器件的输运性能和环境稳定性。其制备出的Te掺杂BP FET器件具有在室温下达1850 cm2 V-1 s-1的高迁移率。这一研究表明，适当的元素掺杂是很有效的遏制BP在环境下退化的方案，而且它可能能够加快落实BP在未来光电/电子器件设备中的应用。

【图文导读】

图1 未掺杂和Te掺杂的BP FET器件的输运特性：

（a，b）典型的原子力显微镜图像（上图）和分别从原生未掺杂器件和掺碲器件图像上的白色虚线提取的BP沟道高度轮廓图（下图）。标度尺为1 μm。
（c，d）分别是未掺杂和Te掺杂的器件，在Vg以步长20 V从-60 V变化到60 V时，电流与偏压（Ids-Vds）的特征曲线。
（e，f）分别是未掺杂和Te掺杂的器件，当源漏电压固定为Vds = 10 mV时，半对数（右）和线性（左）比例下的转移特性曲线。虚线标出了转移曲线的线性区域，从这一区域可以计算出载流子迁移率。

图2 实验中测试得到的BP器件电流开关比Ion / Ioff以及载流子迁移率的分布情况：

（a）电流开关比Ion / Ioff。（b）22个未掺杂BP器件和45个Te掺杂BP器件在室温下空穴迁移率。

图3 未掺杂和Te掺杂BP FET在环境条件下的对比：

未掺杂和Te掺杂BP FET的室温转移曲线Ids–Vg是经历了0、1、8、15和21天的暴露之后在一个固定偏置Vds = 10 mV下测量得到的。
（a）未掺杂的BP器件的典型转移曲线。

（b）Te掺杂BP器件典型的转移曲线。插图显示的用未暴露的初始值进行归一化得到的开电流曲线，以及随着暴露时间的变化。

（c）用未掺杂BP器件（空心符号）不暴露时的初始值以及Te掺杂BP器件（实心符号）不暴露时的初始值进行归一化得到的迁移率曲线。

（d）利用未掺杂器件（空心符号）不暴露时的初始值以及Te掺杂器件（实心符号）不暴露时的初始值归一化的电流开关比Ion / Ioff。（c）和（d）中的实线和虚线分别代表查过5个器件平均的迁移率和电流开关比。

图4 环境暴露后的BP薄片的原子力显微镜表征：

（a）未掺杂的剥离厚度 ≈13 nmBP薄片的AFM图像，BP薄片分别经历了0、3、5和9天的环境暴露。箭头指向薄片的同一区域。

（b）Te掺杂剥离厚度 ≈15 nm的BP薄片的AFM图像，BP薄片分别经历了0、3、7和10天的环境暴露。

（c）增加暴露时间引起表面粗糙度的变化。

（d）留存BP厚度随暴露时间的变化。（a）和（b）中的标度尺代表1 μm。（c）和（d）中的虚线作为眼睛的指南。

图5 31P MAS NMR谱：

（a）暴露1、2、3、5、6和7天后的未掺杂BP粉末。

（b）暴露1、2、3、5、6和7天后的Te掺杂BP粉末。

（c）39天暴露后的未掺杂BP粉与典型的H3PO3和H3PO4光谱对比。

图6 计算得到的Te掺杂碲性能：

（a）Te掺杂三层BP仿真单元。

（b）Te掺杂三层BP的电子能带结构及其对应的偏态密度。

（c）相对于真空能量多层BP的VBM（Valence band maximum，价带顶）和CBM（Conduction band minimum，导带底）。虚线标识了O2/O2−氧化还原电位的相对位置。

【总结】

该研究表明，元素掺杂展现了一种富有吸引力的制备高性能和更稳定的BP FET器件的方法。通过掺杂Te，制备的BP器件具有高达1850 cm2 V-1 s-1的载流子迁移率，几乎是体材料在是室温下的两倍。更值得注意的是，Te掺杂BP器件展现出优异的对抗环境退化的能力，并在经历了21天的环境暴露后保持> 200 cm2 V-1 s-1的迁移率以及≈500的电流开关比。

文献链接：Te-Doped Black Phosphorus Field-Effect Transistors (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma. 201603723)

本文由材料人编辑部电子电工学术组天行健供稿，材料牛编辑整理。

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