二維（2D）材料為開(kāi)發(fā)原子厚度的半導(dǎo)體應(yīng)用提供了突破硅技術(shù)極限的機(jī)會(huì)。黑磷（Black Phosphorus，BP）是一種具有可控帶隙和高載流子遷移率的層狀半導(dǎo)體材料，是原子厚度晶體管器件最有希望的候選材料之一。此外，BP還表現(xiàn)出許多對(duì)從納米電子學(xué)和納米光子學(xué)到量子器件和超導(dǎo)體的各種應(yīng)用都很有價(jià)值的獨(dú)特性質(zhì)。然而，自從BP被報(bào)道以來(lái)，多層BP薄膜的可控大規(guī)模生長(zhǎng)一直是沒(méi)有被實(shí)現(xiàn)，極大地阻礙了其進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用。目前，自上而下的剝離制備BP薄膜存在著規(guī)模有限、形狀不規(guī)則的問(wèn)題，而且基于紅磷的同素異形轉(zhuǎn)化方法不能得到高質(zhì)量的原子厚度BP薄膜。雖然化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)BP的自下向上的合成，但是僅獲得了在橫向尺度上為幾十微米的多層BP薄片。此外，BP相的構(gòu)建需要極高的壓力條件，而在氣相相沉積方法中幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

在2021年5月10日，Nature Materials在線(xiàn)刊登了題為“Large-scale growth of few-layer two-dimensional black phosphorus”的文章。在文中，香港理工大學(xué)郝建華教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種可控的脈沖激光沉積（PLD）策略，可以在厘米尺度上合成高質(zhì)量的多層BP。

通過(guò)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬，作者發(fā)現(xiàn)，對(duì)比傳統(tǒng)的熱輔助蒸發(fā)，利用脈沖激光可以促進(jìn)在傳輸?shù)奈锢碚羝行纬纱蟮腂P團(tuán)簇，從而降低BP相的形成能，并實(shí)現(xiàn)了多層BP的大規(guī)模生長(zhǎng)。同時(shí)，作者還證明了制備的BP在大面積上具有晶體的均勻性質(zhì)。此外，作者還在BP薄膜上制備了厘米級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）陣列，在295和250 K時(shí)產(chǎn)生的空穴遷移率分別高達(dá)213和617 cm² V^-1 s^-1。該研究結(jié)果為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)在信息產(chǎn)業(yè)有潛在應(yīng)用前景的基于BP的晶圓級(jí)器件鋪平了道路。

總之，作者提出了一種可控制的快速PLD工藝，并利用該工藝在厘米尺度上直接合成具有高結(jié)晶度和均質(zhì)性的多層BP。作者不僅研究了所制備的大面積BP薄膜的晶相、晶體質(zhì)量、層狀結(jié)構(gòu)和能帶隙，而且在大面積生長(zhǎng)BP薄膜后，進(jìn)一步制備了多層BP FETs。該多層BP FETs在載流子遷移率和電流開(kāi)關(guān)比方面表現(xiàn)出優(yōu)異的電氣特性，甚至超過(guò)厚度相似但尺寸較小的剝離或化學(xué)生長(zhǎng)的BP薄片。值得注意的是，僅通過(guò)旋轉(zhuǎn)多個(gè)靶而不破壞真空，PLD便具有易于控制的厚度、化學(xué)計(jì)量比生長(zhǎng)、高生長(zhǎng)速率以及與多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高相容性等有利于器件制造的優(yōu)點(diǎn)。該工作為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于BP的晶圓級(jí)電子和光電器件提供了可能性，特別是可拉伸集成器件陣列和信息系統(tǒng)。

Large-scale growth of few-layer two-dimensional black phosphorus. Nature Materials, 2021, DOI: 10.1038/s41563-021-01001-7.