掺杂黑磷晶体的可控生长、物性调控及器件应用研究

Two dimensional black phosphorus (BP) atomic crystal, which has a tunable direct bandgap, excellent optical, electric and mechanical properties and unique strong in-plane anisotropy, exhibits wide application prospects in electronic, optoelectronic devices, etc. However, the practical values of black phosphorus have been severely limited by environmental instability and lack of efficient growth and preparation technology. The present project is designed to be against these two bottlenecks, and the following contents are included: Improve the environmental stability of black phosphorus via controllably doping of heterogeneous elements, Grow and prepare large-size doped BP crystal and targets for physical deposition; Develop the effective growth process for physical deposition of two dimensional BP film; Investigate and clarify the function and mechanism of doped heterogeneous elements and their quantities in regulating the environmental stability and fundamental physical properties of two dimensional BP crystal; Design and construct novel heterogeneous structures based on two dimensional BP crystal, for examples, two dimensional BP crystal-two dimensional W(Mo)S2 crystal, two dimensional BP crystal-magnetic thin film, two dimensional BP crystal- two dimensional W(Mo)S2 crystal -magnetic thin film, etc., Investigate the surface and interface effects and related novel physical properties, Fabricate and develop novel electronic, optoelectronic and spintronic prototype devices. Implementation of the present project will lay the foundations for material and device preparation in the future application of BP in fields of electronics, optoelectronics, etc.

二维黑磷晶体具有宽度可调的直接带隙、优异的光、电、力学特性以及独特的强面内各向异性，在电子、光电子器件等领域呈现出广阔的应用前景，然而，环境稳定性差和缺乏有效的生长制备技术严重限制了其实用价值。本项目针对这两大瓶颈问题开展研究，内容包括：采用高温高压技术进行异种元素的可控掺杂提高黑磷晶体环境稳定性，生长大尺度掺杂黑磷晶体和制备物理沉积所需靶材；发展物理沉积方法并结合后续高压处理制备二维黑磷晶态薄膜的技术工艺；阐明掺杂元素与掺杂量对二维黑磷晶体环境稳定性和基本物理特性的调控作用及机制；设计和构造基于二维黑磷晶体的新型异质结构，如二维黑磷-W(Mo)S2、二维黑磷-磁性薄膜、二维黑磷-W(Mo)S2-磁性薄膜等，研究表面与界面效应以及相关的新颖物理特性，构造和发展新型电子、光电子与自旋电子原型器件。本项目的实施可为黑磷在电子、光电子器件等领域的实际应用奠定材料制备与器件应用基础。

由于黑磷的环境稳定性差和生长制备技术耗时、成本高及产量低等限制了其应用价值。高温高压生长制备技术是一种截留大尺寸亚稳相单晶的有效方法之一。本项目通过高温高压技术生长制备了大尺寸高质量的黑磷晶体，并通过元素掺杂的手段提高黑磷的环境稳定性。在此基础上，生长制备了新型磷基层状晶体，并研究其在电子器件、能源存储、微波吸收、生物工程修复和治疗等方面的应用。设计和构建基于二维层状材料的异质结构，研究了其相关的物理特性，探索其在光电子器件、自旋电子器件中的应用。. 1)高温高压技术生长制备大尺寸高质量黑磷晶体与新型磷基层状晶体及其物理性质和应用研究。以红磷和硫粉为原料，成功生长制备了厘米级尺寸高质量硫掺杂黑磷晶体，元素掺杂后黑磷的环境稳定性被明显的提高。此外，通过氢气处理也可以明显提高黑磷的环境稳定性。黑磷的生长成本降低到市场价格的近百分之一。以红磷和Ge、In、Si或Sn等为原料了，生长制备了多种厘米级尺寸高质量的磷基层状晶体，如GeP、GeP3、GeP5、InP3、SiP、SnP3等。系统研究了黑磷及磷基层状晶体的高压调控其超导电性、电子输运性质等物理特性，探索其在场效应晶体管、生物工程修复及癌症治疗、电化学储能和催化等方面的应用。2)化学气相沉积CVD(或化学气相输运)方法制备单层及少层过渡金属硫族化合物及其物理特性。在单层二维晶体表面外延生长制备了多晶型In2Se3晶体，详细表征了不同晶型的In2Se3的晶体结构和相对应的Raman特征峰，研究了热驱动可逆相变、铁电性质、应力效应、磁各向异性的电场调控等。CVD生长了晶圆级连续的单层二硫化钨和二硫化钼，讨论其生长动力学和热力学过程。为后面构建异质结构提供材料基础。3)设计和构建新型二维异质结构及其性能研究。通过CVD生长多种横向及垂直异质结和人工搭建黑磷基垂直异质结，研究了异质层状晶体之间的相互作用对结构相变的影响、面内电场调控垂直铁电极化、非线性光学等物理特性，提高光电探测器件、自旋电子器件、铁电器件等原型器件的性能。本项目的实施为黑磷在电子器件、光电子器件、生物医学等领域的应用奠定材料基础和器件应用基础。