硼基二维材料的可控制备、光电探测器件构筑和性能调控

Elemental boron, as a kind of elemental semiconductor materials, with at least 16 kinds of phase structure, has excellent mechanical, thermal and electrical properties; moreover, it has both high temperature and strong chemical stability. Boron monolayer, as a fascinating two-dimensional material, has become a world puzzle despite the theoretical prediction of its structure for more than 10 years because of its serious deficiency in electrons and complex bonding mechanism. Recently, the applicant has in large scale prepared the boron monolayer on the copper surface by chemical vapor deposition. Based on the preparation and characterization of the boron monolayer, we will investigate synthesis and properties of boron-based two-dimensional thin films on various metal substrates such as nickel, molybdenum and gold. Based on the experiments, a structural control law of the thin films will be found on different metal substrates. Besides, density functional theory could be used to predict the stable structure of the boron-based monolayers on different metal substrates, and reveal the regulation of the boron and metal electron hybridization as well as the boron thin film structures. Furthermore, fabrication and performance optimization of boron-based photodetectors will be investigated. Finally, we will explore the fabrication and performance tuning of the boron monolayer-graphene heterojunction devices. This project will lay a solid foundation for the practical application of boron-based two-dimensional materials in high-performance logic devices and photodetector devices, especially in high temperature electronic devices.

单质硼作为一种元素半导体，具有至少16种相结构以及优异的力学、热学和电学性能，兼具耐高温和极强的化学稳定性等特点，因此其单层结构被视为极具发展潜力的一种二维半导体材料。但硼元素严重缺电子，具有非常复杂的键合机制，尽管科学界对硼单层结构的理论预测已逾10年之久，其制备仍然是世界难题。近期，申请人采用化学气相沉积法在铜箔表面实现了硼单层的大面积制备。本项目拟在前期研究工作基础上，开展镍、钼、金等多种金属基底上硼基二维材料的制备，探索不同金属基底上生长的硼基二维材料的相结构控制规律，结合理论模拟等手段解析金属表面硼基二维材料的稳定结构，揭示硼和金属的电子杂化与硼薄膜结构变化的调控规律；实现硼基二维材料的光电探测器件的可控构筑和性能优化；探索硼基二维材料-石墨烯异质结器件的构筑和性能调控。本项目成果将为硼基二维材料在高性能的逻辑和光电探测器件以及高温电子器件方面的实际应用奠定坚实的实验基础。

平面结构的硼烯被认为是其它低维结构硼的前驱体，是目前报道的质量最轻、厚度最薄的二维材料，因此硼烯的研究具有极为重要的科学意义。基于此，本项目开展了以下几个方面的重要研究内容：（1）金属基底上硼基二维材料的可控制备和转移；（2）硼基二维材料的光电探测器的构筑和性能优化；（3）硼基二维材料‒石墨烯异质结器件的构筑和性能调控。所取得的重要结果如下：（1）发明了超稳定半导体性氢化硼烯的宏量制备技术，揭示了无金属基底条件下二维硼烯的原位自催化生长机制，进而构筑了低能耗的硼烯基非易失存储器件。（2）提出了制备硼烯-石墨烯异质结的新技术，构筑了高性能的湿度传感器；（3）提出了制备硼烯-MoS2异质结的新技术，构筑了高性能的湿度传感器；（4）制备出半导体相硼烯-氧化锌量子点P-N异质结，构筑了高性能紫外探测器。所获得的关键数据及其科学意义如下: 制造的超稳定硼烯的非易失存储器的开关电压低至0.35 V，是目前报道的纳米结构材料非易失存储器中的最低值，表明硼烯有望开发出高性能、低功耗的先进电子器件与系统；提出了制造硼烯-MoS2异质结的新技术，构筑的高性能的湿度传感器在97%湿度下，具有超高的灵敏度（15500 %）、快速响应/恢复特性（2.5/3.1s）、长寿命、良好的柔韧性和高的选择性。这些结果表明，硼烯基异质结器件具有高性能湿度传感特性，是未来构建先进电子器件的备选材料之一。在该项目的支持下，研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition、Journal of Materials Chemistry A、Nanoscale、《化学进展》等国内外著名学术期刊上，共计发表SCI学术论文15篇。申请专利5项，已获得授权3项。培养博士研究生5人，硕士研究生14名，已毕业6名。