清華新聞網(wǎng)3月15日電 相比于傳統(tǒng)的體相材料，二維范德華層狀材料因其具有原子級(jí)厚度、無(wú)懸掛鍵的平整表面、無(wú)表面態(tài)等結(jié)構(gòu)和物理特性，表現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)越的性能，如超高載流子遷移率、層數(shù)依賴(lài)的光電學(xué)特性等，因此在電子、光電器件和能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。二維半導(dǎo)體更是被視為下一代電子和光電子材料的重要候選體系之一。現(xiàn)有的絕大多數(shù)成功制備的二維半導(dǎo)體材料如過(guò)渡族金屬硫族化合物（TMDCs）、黑磷（BP）等，屬于窄帶隙半導(dǎo)體（帶隙一般小于2eV），這限制了二維半導(dǎo)體在大功率電子器件、低功耗器件、紫外光電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。尋找和制備寬帶隙二維半導(dǎo)體（如帶隙大于3eV）是二維材料領(lǐng)域的重要研究方向之一。
β相鋯氮氯（β-ZrNCl）體相材料是一種層狀寬帶隙半導(dǎo)體，然而其在二維極限薄厚度下的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)還鮮少實(shí)驗(yàn)報(bào)道。近期，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授團(tuán)隊(duì)成功剝離出單層和少層β-ZrNCl，并實(shí)驗(yàn)研究了其在二維形態(tài)下的特性。發(fā)現(xiàn)二維β-ZrNCl具有良好的空氣穩(wěn)定性，其拉曼散射光譜表現(xiàn)出明顯的層數(shù)依賴(lài)特性。研究還發(fā)現(xiàn)基于少層β-ZrNCl的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流開(kāi)關(guān)比達(dá)108。
在此項(xiàng)研究中，研究人員首先采用化學(xué)氣相傳輸法（CVT方法）制備出塊狀β-ZrNCl晶體，之后采用黏膠帶剝離法獲得單層和少層β-ZrNCl。在此基礎(chǔ)上，研究人員系統(tǒng)地探究了單層和少層ZrNCl的拉曼光譜及其與體相材料的區(qū)別。結(jié)果表明隨著層數(shù)的減少，位于189cm-1的A1g特征峰出現(xiàn)了明顯的紅移，且峰強(qiáng)明顯降低，并且當(dāng)ZrNCl的層數(shù)降低至單層時(shí)，該峰消失。這些結(jié)果表明拉曼光譜可以作為一種快速且無(wú)損的手段來(lái)表征二維ZrNCl的層數(shù)。
同時(shí)，少層的ZrNCl表現(xiàn)出了良好的空氣穩(wěn)定性和電學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，將所制備的材料置于空氣中數(shù)月后，原子分辨的原子力顯微鏡照片（AFM）顯示樣品表面晶體結(jié)構(gòu)依然完整，且拉曼特征峰未發(fā)生明顯偏移，說(shuō)明樣品具有良好的空氣穩(wěn)定性。為探究二維ZrNCl在電子器件方面的應(yīng)用潛力，研究人員使用電子束光刻技術(shù)和電子束蒸發(fā)沉積技術(shù)，構(gòu)建出以少層ZrNCl為溝道材料的背柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。結(jié)果表明基于少層ZrNCl材料的器件的電流開(kāi)關(guān)比達(dá)108，高于之前報(bào)道的其他寬帶隙二維半導(dǎo)體材料。器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率為3.15cm2V-1s-1，遠(yuǎn)低于理論值，說(shuō)明通過(guò)改善電極與材料之間的接觸、優(yōu)化器件構(gòu)建工藝等方法有望進(jìn)一步提高ZrNCl的電學(xué)性能。
圖1.寬帶隙二維半導(dǎo)體材料β-ZrNCl的晶體結(jié)構(gòu)及其表征。在材料的原子結(jié)構(gòu)中，Zr和N原子組成AB型六元環(huán)結(jié)構(gòu)
圖2. 二維β-ZrNCl拉曼光譜的層數(shù)依賴(lài)特性
圖3.二維β-ZrNCl的環(huán)境穩(wěn)定性
圖4.少層β-ZrNCl場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件性能
相關(guān)研究成果近期以“寬帶隙二維半導(dǎo)體β-ZrNCl的層數(shù)依賴(lài)?yán)庾V和電學(xué)應(yīng)用”（Layer-dependent Raman spectroscopy and electronic applications of wide-bandgap 2D semiconductor β-ZrNCl）為題發(fā)表在國(guó)際期刊《微小尺度》（Small）上。本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)博士生農(nóng)慧雨。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院吳沁柯博士、2018級(jí)博士生譚雋陽(yáng)、2020級(jí)博士生孫宇杰、2020級(jí)碩士生鄭榮戌、2019級(jí)博士生張榮杰和趙仕龍博士。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)委、工信局等項(xiàng)目和部門(mén)的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202107490
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：李含
