背景：在石墨烯首次被发现19年后，2D材料仍然是研究的重点，以克服纳米电子学的挑战并探索新的物理学。 这主要是由于二维材料的两大特性：原子尺度的均匀厚度（即可调性）和原子平面无悬键（保证材料的物理和化学完整性），这使它们在各种电子光电器件的构建中具有明显的优势。 黑磷具有可调带隙和高迁移率的罕见组合，在2D材料中脱颖而出，成为高性能数字应用及其他领域最有前途的候选材料。 特别是，黑磷纳米带表现出优异的静电栅极控制，可以抑制纳米级晶体管中的短沟道效应。 然而，黑磷纳米带的可控合成仍然是一个悬而未决的问题。
研究成果最近来自复旦大学的张元波、郑昌林、宋奕辰、深圳高等研究院的丁丽萍和中国科学技术大学的陈先辉共同报道了一种生长策略，该策略可以在绝缘基板上大面积直接生长黑磷纳米带。 研究人员利用黑磷纳米颗粒进行化学气相传递（CVT）生长，获得了厚度低至三层、宽度低至14层的均匀单晶黑磷纳米带0 nm。通过结构计算发现，锯齿形边缘的自钝化是优先一维增长的关键。 单个纳米带 FET 的开关比高达 104，证实了纳米带的良好半导体特性。 本研究证明了黑磷纳米带在纳米电子器件中的潜力，也为研究黑磷中奇怪的物理现象提供了平台。
相关研究成果发表在国际顶级期刊Nature Materials上，题目为“seeded growth of single-crystal black phosphorus nanoribbons”。
学习什么图1a显示了设置的示意图。 纳米颗粒种子允许黑磷在相对较低的温度下直接生长而不成核。 研究人员可以在470°C的温度下生长纳米带。 由于生长发生在略微过饱和的红磷蒸汽中，因此生长压力主要由生长温度决定。 因此，在生长过程中，较低的温度会大大降低压力到40 bar 或更低。 黑磷CVT在适度的温度和压力下成功生长，可以大规模生产黑磷纳米带，可能与现有的半导体技术兼容。
图1由黑磷纳米颗粒接种的黑磷纳米带的CVT生长。
种子CVT生长法能够在几层的限制下产生纳米带。 图2a显示了低至3的厚度在6nm处具有代表性的纳米带数（相当于约七层）。 到目前为止，研究人员确定的最薄的纳米带大约有三层。 这些色带的宽度约为 100nm。这些尺寸至少比之前黑磷区CVT增长的最佳结果高出一个数量级。
图1D显示了SiO2 Si衬底上典型生长态纳米带的一般视图。 拉曼光谱的特征A1G、B2G和A2G峰证实了纳米带确实是黑磷（图1C）。 2C-E图中显示了三种典型纳米带的AFM图像，其中条带在其整个长度上是均匀的，这一特征对于集成电子光电电路的大规模制造尤为重要。 对图1D中标记区域中所有374条纳米带的AFM调查，平均厚度和宽度为150±0.2nm 和 510 10 nm（图1e，f）。 纳米带的平均纵横比约为102，最大达到103（图3a）。
图2单个黑磷纳米带的AFM表征。
图3A显示了在明场TEM中记录的典型纳米带的完整视图。 纳米带由三个圆圈标记，宽约40 nm，长度超过30 m。 放大后会出现二维晶格条纹，如图3b所示。 插图证实了纳米带具有黑磷斜方晶体结构; 衍射图还显示了沿[100]方向的生长轴（图3b）。 为了进一步研究整个纳米带的结晶度，进行了SAED。 图 3C-E 显示了三种具有代表性的 SAED 模式。 所有图案都显示出相同的晶体方向，除了几个毫弧测量值的面外倾角。 近乎完美的排列表明整个纳米带是单晶。 图3F，G显示了分别用[110]和[010]区域轴拍摄的另一个典型色带的Haadf-STEM图像。 磷原子对在两个投影中被清楚地解析（两个投影的相对倾角为17。9°）。用TEM检查了超过33个纳米带，所有这些纳米带都沿[100]方向表现出黑磷正交结构。
图3黑磷纳米带的TEM表征。
为了进一步阐明生长机制，研究人员使用非黑磷纳米颗粒的片状种子来生长用于CVT生长的纳米带。 如图4a所示，纳米带确实从薄片的边缘生长出来。 然而，令人惊讶的是，生长只发生在边缘的特定活性位点，导致纳米带彼此平行排列。 同样，在纳米带的自由端没有发现催化剂液滴。 图4d显示了图4a所示的相同黑磷薄片在0它是在入射光子能量为 35 ev 时作为偏振角的函数获得的。 消光确实遵循CO2关系，这在双对称晶体（如黑磷）中是预期的（图4D，红线）。 薄片的晶格取向如图4d中的红色箭头所示，与图4a中纳米带的方向完全匹配; 对所有其他薄片种子的测量都得出了相同的结论。 显然，纳米带从薄片沿[100]方向均匀生长; 活性生长位点可以是（100）晶体平面的裸露边缘。
图4黑磷纳米带生长的机理.
单晶黑磷纳米带在晶体管操作中表现出优异的电性能。 FET直接在SiO2 Si衬底上的单个纳米带上制造以进行生长，降解掺杂的Si用作后门。 通道长度为 400nm处的典型纳米带FET器件如图5d所示。 当施加的栅极电压VG在孔侧导通器件时，I-V特性表现出线性行为，表明存在欧姆接触（图4c）。 FET的通关比约为104（图5A），这是黑磷FET中有史以来报道的最高值之一。
图5黑磷纳米带状物
结论与展望综上所述，研究人员实现了单晶Z形黑磷纳米带的大面积生长。 种子与生长发生在激活的扶手椅的边缘，并产生适合制造高性能FET的长纳米带。 这项研究的结果为用于电电子应用的高密度排列黑磷纳米带阵列的大规模增长打开了大门。 一旦锯齿状边缘被正确激活，该研究还增加了生长2D单晶黑磷的可能性。
文献文献链接：