二维材料因其优异的电学、光学、力学和磁学性质，以及其在电子、光电子和自旋电子器件等领域的广阔应用前景，近年来引起研究人员的广泛关注。其中，黑磷（Black phosphorus, BP）作为一种新型的二维材料，具有较高的载流子迁移率，从可见光到中红外区域的可调带隙以及各向异性的电子和光学特性，使其在高性能电子和光电子学等领域具有广泛的应用潜力，可用于制备具有高灵敏度的中红外光电探测装置。为了实现基于黑磷电子学和光电子学器件的大规模应用，对其电子特性的调控非常重要，而原子掺杂是实现这一目标行之有效的策略。然而，目前黑磷的制备和控制掺杂仍存在产率低、掺杂浓度低等问题，对黑磷生长机理的研究也是一个重大挑战。清华-伯克利深圳学院（简称TBSI）刘碧录团队对此探索研究，开发了一种新型普适的制备黑磷和掺杂黑磷的方法——均匀温度下短程输运生长策略，实现了高产率、高质量黑磷晶体的可控制备，转化率高达98%以上。通过类似的方法，可以将各种元素均匀且可控地掺杂到黑磷中，产率同样高达90%以上。
图1:均匀温度短程输运策略生长高产率、高纯度黑磷晶体
图2：纯净黑磷的结构和光谱学表征
研究表明，此方法制备的掺杂黑磷（1.2wt% Sb, 0.45wt% Se, 0.42wt% Te, 0.36 wt% Bi, 72.8wt% As）具有目前报道最高的掺杂浓度，且掺杂原子种类较多(如：Se, Te, Sb, Bi, As, Co, Fe, Mn等)，是一种普适性的掺杂方法。通过结构和光学表征显示，制备得到的黑磷及掺杂黑磷具有较高的结晶度和纯度。此外，该研究还发现掺杂可以有效调控黑磷的电子结构，包括调节黑磷的功函数和导带、价带的位置。理论和实验结果显示，适当元素（例如Sb，Te等）的掺杂可以有效提升黑磷的化学稳定性，提高黑磷的电学性能。以上研究结果对理解黑磷制备过程中的基础科学问题和生长机理研究具有重要指导意义，为基于黑磷的电子和光电子器件的基础研究和应用打下了坚实基础。
图3：各种元素掺杂黑磷的结构和光谱学表征
图4：各种不同元素掺杂对黑磷电学性能的调控
图5：暴露于环境中的黑磷及掺杂黑磷纳米片的稳定性研究
相关研究成果近期在线发表于《今日材料》（Materials Today）期刊，题为“高产率黑磷和掺杂黑磷的可控制备及电学性质调控”（High Yield Growth and Doping of Black Phosphorus with Tunable Electronic Properties）。论文共同第一作者为TBSI科研助理刘明强、博士后冯思敏，论文通讯作者为TBSI刘碧录副教授。该研究由国家自然科学基金委、科技部以及深圳市经信委、科创委和发改委等部门支持。
