近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院喻學(xué)鋒研究員團隊與深圳大學(xué)教授張晗、武漢大學(xué)教授廖蕾團隊合作，在二維黑磷領(lǐng)域取得新進展，通過金屬離子修飾的方法制備出高穩(wěn)定性高性能黑磷晶體管。相關(guān)成果發(fā)表于材料學(xué)領(lǐng)域刊物《先進材料》上。論文第一作者是博士郭志男，第一單位是中科院深圳先進院。

      近年來，與石墨烯一樣擁有二維層狀結(jié)構(gòu)的黑磷展現(xiàn)出卓越的電學(xué)和光學(xué)特性，被視為新的超級材料，其在晶體管、光電器件、催化和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擁有巨大應(yīng)用潛力。然而，黑磷的不穩(wěn)定性限制了其在很多領(lǐng)域深入的研究和應(yīng)用。為解決黑磷的這一難題，喻學(xué)鋒團隊曾先后基于配位化學(xué)和共價化學(xué)原理，有效提高了黑磷的穩(wěn)定性。然而，如何在增強穩(wěn)定性的同時，保持甚至提高黑磷的電學(xué)性能是當(dāng)前該領(lǐng)域所面臨的一個關(guān)鍵難題。

      在本項研究中，研究團隊發(fā)明了一種金屬離子修飾黑磷的方法，通過陽離子-π相互作用，在溶劑中自由分散的金屬陽離子(如銀離子)可以自發(fā)的吸附到黑磷的表面，鈍化黑磷中磷原子的孤對電子，進而極大提高了黑磷片層的穩(wěn)定性。與此同時，金屬離子的修飾過程相當(dāng)于在黑磷中引入了更多的空穴，可調(diào)控本來雙極性偏p型的黑磷的半導(dǎo)體特性，其空穴傳導(dǎo)側(cè)的輸運性質(zhì)得到進一步提升。如銀離子修飾后，黑磷的載流子遷移率提高了一倍，開關(guān)比提高兩個數(shù)量級。由于金屬離子和黑磷之間是一種較弱的超分子相互作用，金屬離子對黑磷的修飾過程較之前開發(fā)的化學(xué)方法更加可控，而且普適性更高，除銀離子外，鎂離子、鐵離子、汞離子都可以實現(xiàn)對黑磷穩(wěn)定性的增強和半導(dǎo)體特性的調(diào)控。

      這種技術(shù)為制備高穩(wěn)定性、高性能黑磷晶體管提供了一種簡單有效的新方法，并可極大拓展黑磷在各種電子和光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

      本項工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)研究重點計劃、深圳市孔雀團隊、深圳市基礎(chǔ)研究布局等項目的資助。