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 二維材料因其優(yōu)異的電學、光學、力學和磁學性質，以及其在電子、光電子和自旋電子器件等領域的廣闊應用前景，近年來引起研究人員的廣泛關注。其中，黑磷（Black phosphorus, BP）作為一種新型的二維材料，具有較高的載流子遷移率，從可見光到中紅外區(qū)域的可調(diào)帶隙以及各向異性的電子和光學特性，使其在高性能電子和光電子學等領域具有廣泛的應用潛力，可用于制備具有高靈敏度的中紅外光電探測裝置。為了實現(xiàn)基于黑磷電子學和光電子學器件的大規(guī)模應用，對其電子特性的調(diào)控非常重要，而原子摻雜是實現(xiàn)這一目標行之有效的策略。然而，目前黑磷的制備和控制摻雜仍存在產(chǎn)率低、摻雜濃度低等問題，對黑磷生長機理的研究也是一個重大挑戰(zhàn)。清華-伯克利深圳學院（簡稱TBSI）劉碧錄團隊對此探索研究，開發(fā)了一種新型普適的制備黑磷和摻雜黑磷的方法——均勻溫度下短程輸運生長策略，實現(xiàn)了高產(chǎn)率、高質量黑磷晶體的可控制備，轉化率高達98%以上。通過類似的方法，可以將各種元素均勻且可控地摻雜到黑磷中，產(chǎn)率同樣高達90%以上。

圖1:均勻溫度短程輸運策略生長高產(chǎn)率、高純度黑磷晶體

圖2：純凈黑磷的結構和光譜學表征

研究表明，此方法制備的摻雜黑磷（1.2wt% Sb, 0.45wt% Se, 0.42wt% Te, 0.36 wt% Bi, 72.8wt% As）具有目前報道最高的摻雜濃度，且摻雜原子種類較多(如：Se, Te, Sb, Bi, As, Co, Fe, Mn等)，是一種普適性的摻雜方法。通過結構和光學表征顯示，制備得到的黑磷及摻雜黑磷具有較高的結晶度和純度。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)摻雜可以有效調(diào)控黑磷的電子結構，包括調(diào)節(jié)黑磷的功函數(shù)和導帶、價帶的位置。理論和實驗結果顯示，適當元素（例如Sb，Te等）的摻雜可以有效提升黑磷的化學穩(wěn)定性，提高黑磷的電學性能。以上研究結果對理解黑磷制備過程中的基礎科學問題和生長機理研究具有重要指導意義，為基于黑磷的電子和光電子器件的基礎研究和應用打下了堅實基礎。

圖3：各種元素摻雜黑磷的結構和光譜學表

征 

圖4：各種不同元素摻雜對黑磷電學性能的調(diào)控

圖5：暴露于環(huán)境中的黑磷及摻雜黑磷納米片的穩(wěn)定性研究

相關研究成果近期在線發(fā)表于《今日材料》（Materials Today）期刊，題為“高產(chǎn)率黑磷和摻雜黑磷的可控制備及電學性質調(diào)控”（High Yield Growth and Doping of Black Phosphorus with Tunable Electronic Properties）。論文共同第一作者為TBSI科研助理劉明強、博士后馮思敏，論文通訊作者為TBSI劉碧錄副教授。該研究由國家自然科學基金委、科技部以及深圳市經(jīng)信委、科創(chuàng)委和發(fā)改委等部門支持。