二维黑磷材料的界面调控及相关光电功能器件的研究

Two-dimensional (2D) black phosphorus (BP) has been attracting much attention for emerging electronic and optoelectronic devices, due to its unique properties such as intrinsic band gap and high ambipolar charge transport mobilities. This is the field encompassing multidisciplinary subjects of chemistry, physics, materials, semiconductors and electronics. However, the BP research is still in its very early stage of development, requiring intensive efforts to reveal the structure-property relationship, as well as the correlations between materials/device assembly and device performance. The long-term objectives of this proposal is to develop effective interface modification approaches to engineer the electronic and optoelectronic properties of BP to enable the design of novel and high performance BP based optoelectronic devices. We also aim to use our home-made in-situ interface characterization tools and methodologies to understand the properties of interface engineered BP and their related electronic and optoelectronic devices, and hence to provide design rules for more efficient interface engineering approaches, and finally to fabricate BP based functional electronic and optoelectronic devices, such as photodetectors, photovoltaic cells, invertors, etc.

片层黑磷（BP）是一种新兴的二维（2D）材料，由于其具备本征带隙和双极性高迁移率，最近成为电子学和电子器件研究的前沿热点，涉及到物理、化学、材料、半导体、电子等多个学科，是一门高度交叉的前沿科学。然而，黑磷的结构与性能、材料组装与器件性能之间的内在联系，都有待进一步的研究。本项目的目标是利用新型的原位界面表征工具理解和研究二维黑磷的性质及其相关的电子和光电子器件，建立材料性质、界面调控与器件性能之间的相互关系，从而开发基于高性能黑磷光电器件的界面调控方法，最终制备基于二维黑磷的电子和光电子功能器件，如光电探测器，光伏电池，逻辑反相器等。

在2016-2019的四年中，本项目的研究进展比较顺利。二维层状黑磷（BP）是一种新兴的二维材料，由于其具备本征带隙和双极性高迁移率，最近成为电子学和电子器件研究的前沿热点，涉及到物理、化学、材料、半导体、电子等多个学科，是一门高度交叉的前沿科学。我们利用新型的原位界面表征工具理解和研究二维黑磷的性质及其相关的电子和光电子器件，建立材料性质、界面调控与器件性能之间的相互关系，从而开发基于高性能黑磷光电器件的界面调控方法，最终制备基于二维黑磷的电子和光电子功能器件。这些工作具有一定的原始创新性 ，其中，我们首次报道采用分子束外延生长技术合成大面积高质量的蓝磷单层薄膜, 探索了黑磷器件在大气条件下性能退化的根本原因，发展了钾（K）对黑磷FET器件的原位表面参杂及其应用。这些工作总结在标注了本项目号的24 篇SCI论文中，其中影响因子大于10的论文14篇，包括1篇Chem. Soc. Rev., 1篇Nat. Comm.,3篇Adv. Mater., 4篇Nano Letter, 1 篇Angew. Chem. Int. Ed.， 2篇ACS Nano,1篇ACS Catalysis, 1篇Mater. Today.。我们还于2018年10月在苏州工业园区新国大研究院成功举办第七届全国表面分析科学与技术应用学术会议，其中二维层状黑磷的研究进展是会议的一个重点。通过本项目的支持，课题组内学生及博后共有9人次获得国际/国内相关会议的Nano Research, ACS Nano 等最佳墙报奖。通过本项目的研究，初步获 得了二维层状黑磷与其界面性质、发光光电器件性能之间的基本构性关系。在项目结题后，我们还将继续相关的研究工作，细化一些研究要点，争取取得更多的成绩。