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黑磷单晶的制备及其多层微米带的电输运性质的研究

赵明  
【摘要】:相对于零带隙的石墨烯与宽带隙的过渡金属硫化物,黑磷是一种直接带隙半导体且能带宽度随层数可调(块体带隙0.3eV,单层2.0eV),因其电学、光学及热学性能呈现出面内各向异性,近年来受到人们的广泛关注,在半导体光电器件领域拥有广阔的应用前景。高性能黑磷器件的开发与应用,离不开高质量的黑磷单晶的可控制备。早期制备块体单晶黑磷的方法,存在着高成本,低产率,原料不环保,制备过程耗时等缺点,而且黑磷单晶的生长机理还未明晰。鉴于此,在本文中我们系统研究了黑磷单晶的气相输运法生长,并揭示了其生长机理,初步研究了其电学性能。取得了以下创新性的研究成果:(1)可控生长高质量单晶黑磷。我们分别发展了温差法和恒温法制备黑磷晶体,高质量黑磷晶体的转化率高达97%,成本大幅降低,生长效率大幅提升。(2)揭示了单晶黑磷的生长机理。通过系统研究单晶黑磷的生长过程,发现了黑磷微米带的生长具有“自下而上”的行为。在生长过程中,红磷升华形成磷蒸气与金属卤化物形成P-Sn-I的成核点,磷在随后的降温过程中不断析出并形成黑磷单晶。揭示了金属Sn、Pb(或者它们的合金)以及I2在黑磷生长过程中的重要作用。另外我们发现黑磷的转化率与磷蒸气在低熔点金属中的溶解度密切相关。(3)制作了基于多层黑磷的场效应晶体管并研究了其输运性能。黑磷微米带由于晶体沿着(0k0)的解理面堆叠,因此更容易采用机械剥离法获得单层或多层黑磷薄膜,在此基础上制作了场效应晶体管并研究了其电学性能。综上所述,我们在黑磷晶体生长、单层或多层黑磷制备及器件制作等方面做出了较为系统的研究工作,而且黑磷薄膜的直接生长方面做了初步探索,相信为将来进一步研究黑磷薄膜的丰富物理性质及其应用奠定了一定的基础。


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