中國(guó)研究人員利用Henniker HPT-100等離子體處理系統(tǒng)製備超穩(wěn)定半導(dǎo)體
2D材料是由單層原子組成的晶體固體。由於厚度僅在一個(gè)維度受限，這些材料具有獨(dú)特的性質(zhì)，使其成為光電子、能源發(fā)電和高性能複合材料等領(lǐng)域的理想選擇。例如，研究最廣泛的2D材料石墨烯具有卓越的導(dǎo)電性，且強(qiáng)度高於鋼鐵。
另一種2D材料-紫磷（2D-VP）完全由磷元素構(gòu)成。其獨(dú)特的物理和電子結(jié)構(gòu)賦予其可調(diào)諧的大直接帶隙、高載流子遷移率和強(qiáng)光吸收等特性，非常適合用於傳感、發(fā)光和光控等光電器件。
然而，紫磷在常溫下的穩(wěn)定性較差。暴露於空氣中時(shí)，材料會(huì)因與氧氣反應(yīng)而逐漸降解，導(dǎo)致所有優(yōu)異特性消失，這使其難以集成到實(shí)際設(shè)備中。
上海交通大學(xué)（SJTU）由Prof. Siyu Liu & Prof. Yanming Wang的研究團(tuán)隊(duì)決心解決這一穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)複雜的計(jì)算量子模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)，在材料中摻入少量氮元素（即“摻雜”）是提升2D-VP穩(wěn)定性的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)選擇了等離子體處理技術(shù)。
圖1: 研究人員使用HPT-100等離子體系統(tǒng)，其數(shù)字質(zhì)量流量控制器可精確調(diào)控工藝壓力。圖片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供*
論文第一作者M(jìn)r Qingyuan He解釋了選擇等離子體處理的原因：
“選擇氮等離子體處理對(duì)紫磷進(jìn)行摻雜，主要基於以下考慮：
(1) 真空環(huán)境：多層紫磷薄片在接觸空氣時(shí)極易氧化降解。等離子體處理在真空環(huán)境中進(jìn)行，可避免紫磷與氧氣直接接觸，並減少其他汙染風(fēng)險(xiǎn)。
(2) 等離子體處理的雙重功能：氮等離子體處理包含物理刻蝕和化學(xué)摻雜。通過(guò)精確調(diào)控兩者的作用強(qiáng)度，我們可先用物理刻蝕實(shí)現(xiàn)原子級(jí)平整的紫磷表面，再通過(guò)化學(xué)摻雜可控引入氮原子。這種組合不僅使表面光滑、減少活性位點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)氮摻雜，從而顯著提升紫磷納米片的穩(wěn)定性。*
(3) 實(shí)用優(yōu)勢(shì)：等離子體處理工藝簡(jiǎn)單、高效、溫和且易於規(guī)模化。”
儘管等離子體處理非常適合該任務(wù)，但研究團(tuán)隊(duì)仍需精細(xì)優(yōu)化工藝，以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)平整度和精準(zhǔn)的氮摻雜。通過(guò)HPT-100等離子體系統(tǒng)的精密壓力控制，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)需要兩步等離子體處理來(lái)同時(shí)滿足平整度與摻雜要求。
圖2: HPT-100系統(tǒng)的數(shù)字質(zhì)量流量控制器可精確調(diào)控工藝壓力。圖片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供*
第一步，通過(guò)將HPT-100的流量調(diào)至20sccm（標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘），實(shí)現(xiàn)更高的等離子體壓力。此步驟可去除表面氧化物並通過(guò)可控刻蝕獲得原子級(jí)平整表面。
第二步，將流量降至1sccm，降低等離子體壓力的同時(shí)賦予氮原子更高能量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的2D-VP摻雜，最終生成超穩(wěn)定的氮摻雜紫磷（N-VP）。
原子力顯微鏡測(cè)試表明，經(jīng)過(guò)兩步處理後，N-VP的平整度可保持至少60天，而普通2D-VP僅數(shù)小時(shí)便會(huì)降解。這一突破錶明，N-VP無(wú)需複雜封裝或環(huán)境控制即可集成到實(shí)際器件中。
圖3: d) 原始紫磷因降解導(dǎo)致粗糙度上升 e) 氮摻雜紫磷在60天后仍保持低粗糙度 f) 氮摻雜紫磷的狀態(tài)。圖片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供
該研究證明，等離子體處理能以可控、可擴(kuò)展且高效的方式調(diào)控材料表面特性。該團(tuán)隊(duì)的其他實(shí)驗(yàn)表明，此工藝也適用於黑磷等其他2D材料，未來(lái)或可拓展至過(guò)渡金屬硫族化合物（如MoS?、WSe?）。
本文翻譯自Henniker：
Researchers in China produce Ultra stable Semiconductor using Henniker HPT-100 - Henniker Plasma
參考：
Thank you to the valuable contributions and discussions with Prof. Siyu Liu, Prof. Yanming, and Mr Qingyuan He.
Readers are referred to the original print, available through the provided DOI link, or click the link below for further details on the Henniker Plasma HPT-100.
[1] Highly Air-Stable N-Doped Two-Dimensional Violet Phosphorus with Atomically Flat Surfaces | ACS Nano
Qingyuan He, Dan-Dong Wang, Haixin Qiu, Nan Si, Qinglin Yuan, Rui Wang, Siyu Liu, and Yanming Wang
ACS Nano 2025 19 (1), 427-438
DOI: 10.1021/acsnano.4c09083
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