成果简介
二维(2D)材料由于独特的性能,包括高迁移率、优异的光电响应和原子级尺度的沟道宽度，引起了广泛研究兴趣。其中, 黑磷(BP)因其高迁移率以及出色的电学性能而备受关注。BP的能带调节范围大，从2 eV（单层）~0.3 eV（块体）, 适用于许多半导体器件。同时, BP还在光学和电学上展现出各向异性, 成为电子和光电子器件应用领域非常有前景的候选材料之一。
香港理工大学郝建华教授（通讯作者）、博士生赵钰茜，博士后茅建丰（共一作者）等人报道了一种新型的BP转移策略。选择乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)聚合物和乙二醇(EG)作为粘合层和转移介质，将之前广受关注的通过精细控制的脉冲激光沉积(PLD)生长的厘米级高质量少层BP薄膜由非传统电子器件基底（云母衬底）转移到硅基衬底上，同时最大程度地保持了BP在转移过程中的优异结晶质量和性能。
作者制备了大面积底栅式少层BP场效应晶体管(FET)阵列, 并通过电学测试，展现了整个阵列器件良好的均一性。这些FET阵列器件具有高载流子迁移率和大电流开关比等优异的电学特性, 与在云母衬底上生长的BP薄膜相当。这项工作证明了湿法转移方法能够制造高结晶BP阵列器件, 同时还能保持材料优异的电学性能, 为BP材料更广泛应用的提供了可行性。
研究背景
二维(2D)材料展现出独特的物理特性,为实现新型电子和光电子器件应用提供了广阔的前景。相比于机械剥离法获得超薄2D材料晶片, 晶圆级2D材料因其可以克服材料尺寸的限制, 满足阵列器件的应用需求, 特别是集成电路等大规模应用，引起了科研界的广泛关注。BP因其卓越的物理特性，为解决目前信息产业存在的问题提供了一种可能的解决方案。最近报道的通过脉冲激光沉积(PLD)方法在云母衬底上直接生长高度结晶的厘米级黑磷(BP)薄膜, 引起了广泛的研究兴趣。然而, 一种将BP薄膜与传统硅基(光电)电子器件进行集成的有效且通用的转移方法仍然缺失。
大面积二维黑磷（BP）薄膜的转移
从图中可以清楚地看到,BP薄膜完全从云母衬底上脱离了。转移后得到的大面积 BP 薄膜表面洁净、连续、均匀, 没有出现任何裂纹或褶皱。这充分表明, 将 BP 薄膜从云母衬底成功转移到硅基衬底上的过程非常顺利。使用选择乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)和聚苯乙烯（PS）作为粘合层进行对比, 结果表明EVA更适合大面积BP薄膜的转移, 而PS转移效果较差。这归因于EVA与BP之间的黏附力强于黑磷与云母之间, 而PS与黑磷的黏附力较弱。
图1. 脉冲激光沉积(PLD)制备的黑磷(BP)薄膜的湿法转移过程
图2. 不同转移媒介的比较
黑磷(BP)薄膜表征
通过原子力显微镜(AFM)，X射线衍射(XRD)和拉曼光谱（Raman）分析显示,湿法转移前后BP薄膜的样品特征基本保持不变,表明转移过程没有破坏BP薄膜的结构和质量。
图3. 转移前后的黑磷(BP)薄膜表征
黑磷（BP）场效应晶体管(FET)阵列的电学表征
通过制备具有不同沟道长度的BP FET阵列,我们发现湿法转移后的BP薄膜表现出良好的均匀性和连续性。对比有无聚合物保护的BP FET, 发现聚合物涂层可以有效保护BP器件在大气环境暴露下的电学性能。采用底栅结构制造的BP FET展现出优异的输出特性, 迁移率高达293 cm2 V-1 s-1， 同时能够实现3. 6×103倍的电流调制。尽管随着沟道长度增加, 性能略有下降, 但整体上湿法转移工艺能够很好地保持BP薄膜的高质量和完整性。
与其他制备方法得到的BP器件以及湿法转移的二硫化钼FET相比, 本文采用的湿法转移BP FET展现出更加出色的电学性能, 突出了该方法的优势。这些结果表明, 本文所开发的湿法转移技术能够有效的推动大面积、高质量BP薄膜的应用，并为新型FET器件结构设计提供新的思路。
图4. 转移后的黑磷(BP)薄膜电学表征
图5. 黑磷(BP) 场效应晶体管(FET)的转移特性
A clean transfer approach to prepare centimetre-scale black phosphorus crystalline multilayers on silicon substrates for field-effect transistors, Nature Communications, 2024.
文献信息
Wu, Z. et al. Large-scale growth of few-layer two-dimensional black phosphorus. Nat. Mater. 20, 1203–1209 (2021). DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-021-01001-7
Zhao, Y., Wu, Z., Dang, Z. & Hao, J. Progress in the synthesis of 2D black phosphorus beyond exfoliation. Appl. Phys. Rev. 9, 041318 (2022).
