相比於傳統的體相資料,二維範德華層狀資料因其具有原子級厚度、無懸掛鍵的平整表面、無表面態等結構和物理特性,表現出許多獨特的性質和優越的效能,如超高載流子遷移率、層數依賴的光電學特性等,囙此在電子、光電器件和能源等領域具有廣闊的應用前景。二維電晶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。現有的絕大多數成功製備的二維半導體材料如過渡族金屬硫族化合物(TMDCs)、黑磷(BP)等,屬於窄帶隙電晶體(帶隙一般小於2eV),這限制了二維電晶體在大功率電子器件、低功耗器件、紫外光電子器件等領域的應用。尋找和製備寬帶隙二維電晶體(如帶隙大於3eV)是二維資料領域的重要研究方向之一。
β相鋯氮氯(β-ZrNCl)體相資料是一種層狀寬帶隙電晶體,然而其在二維極限薄厚度下的結構和性質還鮮少實驗報導。近期,清華大學深圳國際研究生院劉碧錄副教授團隊成功剝離出單層和少層β-ZrNCl,並實驗研究了其在二維形態下的特性。發現二維β-ZrNCl具有良好的空氣穩定性,其拉曼散射光譜表現出明顯的層數依賴特性。研究還發現基於少層β-ZrNCl的場效應電晶體的電流開關比達108。
在此項研究中,研究人員首先採用化學氣相傳輸法(CVT方法)製備出塊狀β-ZrNCl晶體,之後採用黏膠帶剝離法獲得單層和少層β-ZrNCl。在此基礎上,研究人員系統地探究了單層和少層ZrNCl的拉曼光譜及其與體相資料的區別。結果表明隨著層數的减少,位於189cm-1的A1g特徵峰出現了明顯的紅移,且峰强明顯降低,並且當ZrNCl的層數降低至單層時,該峰消失。這些結果表明拉曼光譜可以作為一種快速且無損的手段來表徵二維ZrNCl的層數。
同時,少層的ZrNCl表現出了良好的空氣穩定性和電學性質。研究發現,將所製備的資料置於空氣中數月後,原子分辨的原子力顯微鏡照片(AFM)顯示樣品表面晶體結構依然完整,且拉曼特徵峰未發生明顯偏移,說明樣品具有良好的空氣穩定性。為探究二維ZrNCl在電子器件方面的應用潜力,研究人員使用電子束光刻技術和電子束蒸發沉積科技,構建出以少層ZrNCl為溝道資料的背栅場效應電晶體器件。結果表明基於少層ZrNCl資料的器件的電流開關比達108,高於之前報導的其他寬帶隙二維半導體材料。器件的場效應遷移率為3.15cm2V-1s-1,遠低於理論值,說明通過改善電極與資料之間的接觸、優化器件構建工藝等方法有望進一步提高ZrNCl的電學效能。
圖1.寬帶隙二維半導體材料β-ZrNCl的晶體結構及其表徵。在資料的原子結構中,Zr和N原子組成AB型六元環結構
圖2.二維β-ZrNCl拉曼光譜的層數依賴特性
圖3.二維β-ZrNCl的環境穩定性
圖4.少層β-ZrNCl場效應電晶體器件效能
相關研究成果近期以“寬帶隙二維電晶體β-ZrNCl的層數依賴拉曼光譜和電學應用”(Layer-dependent Raman spectroscopy and electronic applications of wide-bandgap 2D semiconductorβ-ZrNCl)為題發表在國際期刊《微小尺度》(Small)上。本文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院劉碧錄副教授,第一作者為清華大學深圳國際研究生院2019級博士生農慧雨。論文作者還包括清華大學深圳國際研究生院吳沁柯博士、2018級博士生譚隽陽、2020級博士生孫宇傑、2020級碩士生鄭榮戌、2019級博士生張榮傑和趙仕龍博士。該研究得到了國家基金委傑出青年科學基金、國家自然科學基金委重大專案、廣東省創新創業團隊項目、深圳市科創委、工信局等項目和部門的支持。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202107490