Advanced Functional Materials:氢辅助合成Te薄片及其光电性能研究

二维单元素材料,像石墨烯、硅烯、硼烯、黒磷等由于其独特的性能在光电探测器、拓扑超导、量子自旋霍尔效应等领域得到了广泛研究。然而,关于二维单元素材料的研究主要集中在IIIA 到 VA族。因此,开发新型二维单元素材料并对其性能进行探究是一件很有意义的事情。

碲是典型的VIA族元素,随着厚度从单层到块体的变化,可以实现从1到0.35 eV的可调带隙。碲具有优秀的压电性能、热电性能、光电导以及各向异性,已被报道应用在场效应晶体管、热电器件和光电探测器等领域。然而,大多数报道的二维碲纳米片都是通过液相法制备的,这就不可避免地会引入杂质、有机残留和缺陷。相反,气相法在制备高质量、洁净表面的二维材料上表现出明显优势。但由于碲本身独特的一维螺旋链状结构极易导致粗糙表面和混相的产生。由于这些因素的存在,使得制备高质量、超薄二维碲片具有很大的挑战。

为了解决上述问题,华中科技大学材料学院翟天佑教授及其研究团队设计了一种氢辅助化学气相沉积的方法,成功制备了二维碲薄片,其厚度可以达到5 nm。TEM和Raman的结果都表明合成的碲纳米片是高质量单晶。进一步通过理论计算解释了生长机理,可以归因于两个不稳定中间体的形成促进了反应的进行。同时,构筑了场效应晶体管和光电探测器件对其性能进行了详细探究。测试结果表明,器件性能受热激活缺陷的影响。当温度降至80 K时,器件表现出104的高开关比、8 × 10−13A的超低关态电流和微弱的磁滞现象。此外,随着栅压从-70到70 V 的变化,可以明显地观察到栅压调控的光响应:开关比增加了约40倍,响应度降低约45倍。 研究者相信,此项研究为碲单质在光电探测方向的应用提供了可能性。同时,氢辅助化学气相沉积的方法为合成其他单元素二维材料提供了一种新的思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906585)上。