中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-004）——二维黑磷晶体薄膜首次突破硅基异质外延生长

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工作简介

         ——二维黑磷晶体薄膜首次突破硅基异质外延生长

黑磷是一种具有高载流子迁移率（1000~10000 cm²V^-1s^-1）、宽带可调直接带隙（0.3~1.5 eV）和晶体各向异性等优异特性的二维层状半导体材料，在新型信息集成电子和光电子器件领域具有不可替代的应用优势。尽管近年来关于黑磷物性与原型器件的研究受到业界极大的关注，并已取得了多方面重要的进展。然而，由于磷的化学活泼性、与基底不浸润等因素，高质量二维黑磷薄膜在硅等介质衬底上的直接制备一直没有突破，成为其在新型信息光电领域广泛应用的主要瓶颈。

 基于上述背景，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张凯研究员与湖南大学潘安练教授、深圳大学张晗教授合作，通过引入Au₃SnP₇缓冲层作为成核点诱导黑磷在硅基衬底上的成核生长，首次实现了大面积高质量黑磷晶体薄膜在硅基衬底的直接异质外延生长。所生长的黑磷薄膜厚度从几纳米到几百纳米范围内连续可调，具有良好的结晶性和优异的电学性质，室温下的场效应和霍尔迁移率分别超过1200 cm²V^-1s^-1和1400 cm²V^-1s^-1，开关比高达10⁶，综合性能与传统机械剥离的黑磷单晶纳米片相当。同时，所生长的黑磷薄膜还表现出优异的红外吸收和光致发光特性。本工作突破了黑磷等高性能二维半导体在硅基直接异质集成的瓶颈，将大大推动新型集成光电器件和信息技术的发展和应用。

硅衬底上高结晶性黑磷薄膜成核与生长过程示意图及相应形貌、结构表征

相关研究成果于2020年3月12日以“Epitaxial nucleation and lateral growth of high-crystalline black phosphorus films on silicon”为题发表在Nature Communications上。徐轶君博士、史鑫尧硕士和张玉双硕士为论文共同第一作者，张凯研究员、潘安练教授和张晗教授为共同通讯作者。

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主要作者简介

通讯作者张凯，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，博士生导师，中科院高层次人才计划入选者，国家优秀青年科学基金获得者。张凯研究员于2011年获香港理工大学博士学位，历经美国麻省理工学院、新加坡国立大学的科研工作，2015年入职中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。长期致力于窄带隙二维材料与器件的研究，研究兴趣集中在黑磷等窄带隙二维材料的可控生长及其红外、太赫兹激光与探测器件的应用突破。
迄今在Nature Communications、Advanced Materials等学术期刊发表论文70余篇，论文他引1500余次；申请国际PCT和中国发明专利10余项；近年来在国际学术会议做特邀报告或分会主席30余次，包括第608次香山科技会议主题报告（2017）、第五届二维材料国际会议大会副主席（2019）。分别入选中科院高层次人才计划并获择优支持（2015年），苏州市“紧缺高层次人才”（2016年），江苏省“333工程”（2018年），被评为中国电子学会优秀科技工作者（2018年），获国家优秀青年科学基金资助（2019年）；现担任中国电子学会半导体科技青年专委会副秘书长、IOP Publishing中国区顾问编委、JPhys Materials编委等。目前承担或合作承担国家自然科学基金委重大科研仪器研制、优青、面上以及企业产学研合作等项目。
通讯作者潘安练，湖南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，中组部“万人计划”领军人才，湖南省光电集成创新研究院院长。主要从事低维半导体材料可控生长和集成光电子学研究，建立了低维半导体微纳尺度能带精确调控和异质结气相外延生长的普适方法，在一维纳米线和二维原子晶体材料体系得到普遍推广和应用，先后构建了宽带可调谐纳米线激光器、纳米光波分器和光二极管、高性能纳米线电光调制器、室温亚波长近红外通信光探测器和放大器等新型集成光子器件。
研究成果在Science，Nat. Nanotechnol，Nat. Mater，Phy. Rev. Lett，JACS等国际期刊上发表论文200余篇，授权发明专利十余项，相关成果以第一完成人获省部级自然科学一等奖两项，并荣获2019年度国家自然科学二等奖。多次组织低维半导体光电子国际学术会议和中德、中美纳米科技双边研讨会，组建了中德低维半导体光子学联合实验室等国际科技研发平台。 通讯作者张晗，深圳大学教授/深圳市黑磷工程实验室主任，博士生导师。美国光学学会会士，首届 “优青” ，全球高被引科学家，广东省科技领军人才等。张晗教授长期从事低维材料非线性光学及信息功能器件研究，在Physics Reports（ 2 篇）、PNAS（2篇）、Nature Comm.（8篇）、Science Advance(1篇)、Advanced Materials（20篇）等期刊发表论文超过200篇，论文总被引超过3万次，H因子为89，其中ESI高引用论文67篇，一篇论文的单篇引用超过1000次，70篇论文的单篇引用超过100次，四篇论文入选 “中国百篇最具影响国际学术论文”。
担任Photonics Research等多个SCI期刊专题主编/编委、中国激光青年编委会秘书长、全国光学青年学术论坛第二届主席团副主席等职务。近年来取得的科研成果还获得教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、广东省丁颖科技奖、深圳市青年科技奖、深圳市自然科学奖等奖。 

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原文传递

详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-020-14902-z

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。

2016年，JOS被ESCI收录。

2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

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