郝建华&陈仙辉Nature Materials：大规模生长多层2D黑磷

二维（2D）材料为开发原子厚度的半导体应用提供了突破硅技术极限的机会。黑磷（Black Phosphorus，BP）是一种具有可控带隙和高载流子迁移率的层状半导体材料，是原子厚度晶体管器件最有希望的候选材料之一。此外，BP还表现出许多对从纳米电子学和纳米光子学到量子器件和超导体的各种应用都很有价值的独特性质。然而，自从BP被报道以来，多层BP薄膜的可控大规模生长一直是没有被实现，极大地阻碍了其进一步研究和实际应用。目前，自上而下的剥离制备BP薄膜存在着规模有限、形状不规则的问题，而且基于红磷的同素异形转化方法不能得到高质量的原子厚度BP薄膜。虽然化学气相沉积（CVD）技术可以实现BP的自下向上的合成，但是仅获得了在横向尺度上为几十微米的多层BP薄片。此外，BP相的构建需要极高的压力条件，而在气相相沉积方法中几乎无法实现。

在2021年5月10日，Nature Materials在线刊登了题为“Large-scale growth of few-layer two-dimensional black phosphorus”的文章。在文中，香港理工大学郝建华教授和中国科学技术大学陈仙辉教授（共同通讯作者）等人报道了一种可控的脉冲激光沉积（PLD）策略，可以在厘米尺度上合成高质量的多层BP。

通过结合分子动力学（MD）模拟，作者发现，对比传统的热辅助蒸发，利用脉冲激光可以促进在传输的物理蒸汽中形成大的BP团簇，从而降低BP相的形成能，并实现了多层BP的大规模生长。同时，作者还证明了制备的BP在大面积上具有晶体的均匀性质。此外，作者还在BP薄膜上制备了厘米级场效应晶体管（FET）阵列，在295和250 K时产生的空穴迁移率分别高达213和617 cm² V^-1 s^-1。该研究结果为进一步开发在信息产业有潜在应用前景的基于BP的晶圆级器件铺平了道路。

总之，作者提出了一种可控制的快速PLD工艺，并利用该工艺在厘米尺度上直接合成具有高结晶度和均质性的多层BP。作者不仅研究了所制备的大面积BP薄膜的晶相、晶体质量、层状结构和能带隙，而且在大面积生长BP薄膜后，进一步制备了多层BP FETs。该多层BP FETs在载流子迁移率和电流开关比方面表现出优异的电气特性，甚至超过厚度相似但尺寸较小的剥离或化学生长的BP薄片。值得注意的是，仅通过旋转多个靶而不破坏真空，PLD便具有易于控制的厚度、化学计量比生长、高生长速率以及与多层异质结构的高相容性等有利于器件制造的优点。该工作为进一步开发基于BP的晶圆级电子和光电器件提供了可能性，特别是可拉伸集成器件阵列和信息系统。

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