二維(2D)材料由于獨(dú)特的性能,包括高遷移率、優(yōu)異的光電響應(yīng)和原子級(jí)尺度的溝道寬度，引起了廣泛研究興趣。其中, 黑磷(BP)因其高遷移率以及出色的電學(xué)性能而備受關(guān)注。BP的能帶調(diào)節(jié)范圍大，從2 eV（單層）~0.3 eV（塊體）, 適用于許多半導(dǎo)體器件。同時(shí), BP還在光學(xué)和電學(xué)上展現(xiàn)出各向異性, 成為電子和光電子器件應(yīng)用領(lǐng)域非常有前景的候選材料之一。

香港理工大學(xué)郝建華教授（通訊作者）、博士生趙鈺茜，博士后茅建豐（共一作者）等人報(bào)道了一種新型的BP轉(zhuǎn)移策略。選擇乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)聚合物和乙二醇(EG)作為粘合層和轉(zhuǎn)移介質(zhì)，將之前廣受關(guān)注的通過(guò)精細(xì)控制的脈沖激光沉積(PLD)生長(zhǎng)的厘米級(jí)高質(zhì)量少層BP薄膜由非傳統(tǒng)電子器件基底（云母襯底）轉(zhuǎn)移到硅基襯底上，同時(shí)最大程度地保持了BP在轉(zhuǎn)移過(guò)程中的優(yōu)異結(jié)晶質(zhì)量和性能。

作者制備了大面積底柵式少層BP場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)陣列, 并通過(guò)電學(xué)測(cè)試，展現(xiàn)了整個(gè)陣列器件良好的均一性。這些FET陣列器件具有高載流子遷移率和大電流開關(guān)比等優(yōu)異的電學(xué)特性, 與在云母襯底上生長(zhǎng)的BP薄膜相當(dāng)。這項(xiàng)工作證明了濕法轉(zhuǎn)移方法能夠制造高結(jié)晶BP陣列器件, 同時(shí)還能保持材料優(yōu)異的電學(xué)性能, 為BP材料更廣泛應(yīng)用的提供了可行性。

二維(2D)材料展現(xiàn)出獨(dú)特的物理特性,為實(shí)現(xiàn)新型電子和光電子器件應(yīng)用提供了廣闊的前景。相比于機(jī)械剝離法獲得超薄2D材料晶片, 晶圓級(jí)2D材料因其可以克服材料尺寸的限制, 滿足陣列器件的應(yīng)用需求, 特別是集成電路等大規(guī)模應(yīng)用，引起了科研界的廣泛關(guān)注。BP因其卓越的物理特性，為解決目前信息產(chǎn)業(yè)存在的問(wèn)題提供了一種可能的解決方案。最近報(bào)道的通過(guò)脈沖激光沉積(PLD)方法在云母襯底上直接生長(zhǎng)高度結(jié)晶的厘米級(jí)黑磷(BP)薄膜, 引起了廣泛的研究興趣。然而, 一種將BP薄膜與傳統(tǒng)硅基(光電)電子器件進(jìn)行集成的有效且通用的轉(zhuǎn)移方法仍然缺失。

大面積二維黑磷（BP）薄膜的轉(zhuǎn)移

從圖中可以清楚地看到,BP薄膜完全從云母襯底上脫離了。轉(zhuǎn)移后得到的大面積 BP 薄膜表面潔凈、連續(xù)、均勻, 沒(méi)有出現(xiàn)任何裂紋或褶皺。這充分表明, 將 BP 薄膜從云母襯底成功轉(zhuǎn)移到硅基襯底上的過(guò)程非常順利。使用選擇乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)和聚苯乙烯（PS）作為粘合層進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果表明EVA更適合大面積BP薄膜的轉(zhuǎn)移, 而PS轉(zhuǎn)移效果較差。這歸因于EVA與BP之間的黏附力強(qiáng)于黑磷與云母之間, 而PS與黑磷的黏附力較弱。

圖1. 脈沖激光沉積(PLD)制備的黑磷(BP)薄膜的濕法轉(zhuǎn)移過(guò)程

圖2. 不同轉(zhuǎn)移媒介的比較

黑磷(BP)薄膜表征

通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)，X射線衍射(XRD)和拉曼光譜（Raman）分析顯示,濕法轉(zhuǎn)移前后BP薄膜的樣品特征基本保持不變,表明轉(zhuǎn)移過(guò)程沒(méi)有破壞BP薄膜的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。

圖3. 轉(zhuǎn)移前后的黑磷(BP)薄膜表征

黑磷（BP）場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)陣列的電學(xué)表征

通過(guò)制備具有不同溝道長(zhǎng)度的BP FET陣列,我們發(fā)現(xiàn)濕法轉(zhuǎn)移后的BP薄膜表現(xiàn)出良好的均勻性和連續(xù)性。對(duì)比有無(wú)聚合物保護(hù)的BP FET, 發(fā)現(xiàn)聚合物涂層可以有效保護(hù)BP器件在大氣環(huán)境暴露下的電學(xué)性能。采用底柵結(jié)構(gòu)制造的BP FET展現(xiàn)出優(yōu)異的輸出特性, 遷移率高達(dá)293 cm² V^-1 s^-1， 同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)3. 6×10³倍的電流調(diào)制。盡管隨著溝道長(zhǎng)度增加, 性能略有下降, 但整體上濕法轉(zhuǎn)移工藝能夠很好地保持BP薄膜的高質(zhì)量和完整性。

與其他制備方法得到的BP器件以及濕法轉(zhuǎn)移的二硫化鉬FET相比, 本文采用的濕法轉(zhuǎn)移BP FET展現(xiàn)出更加出色的電學(xué)性能, 突出了該方法的優(yōu)勢(shì)。這些結(jié)果表明, 本文所開發(fā)的濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)能夠有效的推動(dòng)大面積、高質(zhì)量BP薄膜的應(yīng)用，并為新型FET器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的思路。

圖4. 轉(zhuǎn)移后的黑磷(BP)薄膜電學(xué)表征

圖5. 黑磷(BP) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的轉(zhuǎn)移特性

A clean transfer approach to prepare centimetre-scale black phosphorus crystalline multilayers on silicon substrates for ?eld-effect transistors, Nature Communications, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51140-z

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).?