深圳国际研究生院刘碧录团队在宽禁带三元二维半导体的性质研究方面取得新进展

相比于传统的体相材料，二维范德华层状材料因其具有原子级厚度、无悬挂键的平整表面、无表面态等结构和物理特性，表现出许多独特的性质和优越的性能，如超高载流子迁移率、层数依赖的光电学特性等，因此在电子、光电器件和能源等领域具有广阔的应用前景。二维半导体更是被视为下一代电子和光电子材料的重要候选体系之一。现有的绝大多数成功制备的二维半导体材料如过渡族金属硫族化合物(TMDCs)、黑磷(BP)等，属于窄带隙半导体(带隙一般小于2eV)，这限制了二维半导体在大功率电子器件、低功耗器件、紫外光电子器件等领域的应用。寻找和制备宽带隙二维半导体(如带隙大于3eV)是二维材料领域的重要研究方向之一。

β相锆氮氯(β-ZrNCl)体相材料是一种层状宽带隙半导体，然而其在二维极限薄厚度下的结构和性质还鲜少实验报道。近期，清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授团队成功剥离出单层和少层β-ZrNCl，并实验研究了其在二维形态下的特性。发现二维β-ZrNCl具有良好的空气稳定性，其拉曼散射光谱表现出明显的层数依赖特性。研究还发现基于少层β-ZrNCl的场效应晶体管的电流开关比达108。

在此项研究中，研究人员首先采用化学气相传输法(CVT方法)制备出块状β-ZrNCl晶体，之后采用黏胶带剥离法获得单层和少层β-ZrNCl。在此基础上，研究人员系统地探究了单层和少层ZrNCl的拉曼光谱及其与体相材料的区别。结果表明随着层数的减少，位于189cm-1的A1g特征峰出现了明显的红移，且峰强明显降低，并且当ZrNCl的层数降低至单层时，该峰消失。这些结果表明拉曼光谱可以作为一种快速且无损的手段来表征二维ZrNCl的层数。

同时，少层的ZrNCl表现出了良好的空气稳定性和电学性质。研究发现，将所制备的材料置于空气中数月后，原子分辨的原子力显微镜照片(AFM)显示样品表面晶体结构依然完整，且拉曼特征峰未发生明显偏移，说明样品具有良好的空气稳定性。为探究二维ZrNCl在电子器件方面的应用潜力，研究人员使用电子束光刻技术和电子束蒸发沉积技术，构建出以少层ZrNCl为沟道材料的背栅场效应晶体管器件。结果表明基于少层ZrNCl材料的器件的电流开关比达108，高于之前报道的其他宽带隙二维半导体材料。器件的场效应迁移率为3.15cm2V-1s-1，远低于理论值，说明通过改善电极与材料之间的接触、优化器件构建工艺等方法有望进一步提高ZrNCl的电学性能。

图1.宽带隙二维半导体材料β-ZrNCl的晶体结构及其表征。在材料的原子结构中，Zr和N原子组成AB型六元环结构

图2. 二维β-ZrNCl拉曼光谱的层数依赖特性

图3.二维β-ZrNCl的环境稳定性

图4.少层β-ZrNCl场效应晶体管器件性能

相关研究成果近期以“宽带隙二维半导体β-ZrNCl的层数依赖拉曼光谱和电学应用”(Layer-dependent Raman spectroscopy and electronic applications of wide-bandgap 2D semiconductor β-ZrNCl)为题发表在国际期刊《微小尺度》(Small)上。本文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2019级博士生农慧雨。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院吴沁柯博士、2018级博士生谭隽阳、2020级博士生孙宇杰、2020级硕士生郑荣戌、2019级博士生张荣杰和赵仕龙博士。该研究得到了国家基金委杰出青年科学基金、国家自然科学基金委重大项目、广东省创新创业团队项目、深圳市科创委、工信局等项目和部门的支持。

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