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       META开启的“元宇宙”，将新型显示研究推上新热潮。光场重构、3D显示、虚实融合等应用场景对光源器件提出越来越高的要求，而影响器件最大的便是材料的发展，光源器件的发光介质也从硅、锗硅、铒掺杂材料到III-V半导体材料，再到现在的量子点、钙钛矿和二维半导体材料。近期中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张凯团队在二维半导体光源材料与器件领域的研究引起了业界的关注。

张凯研究员团队成员

       据张凯研究员介绍，二维材料具有直接带隙、高载流子迁移率、高量子效率、与平面工艺兼容等优势属性，其产业化应用前景非常广泛，吸引了国际顶尖的如台积电、英特尔、微软、华为、三星、索尼等半导体产业公司的关注。2019年台积电研发出产业级40纳米宽P沟道WS2晶体管阵列；2021年，台积电和MIT，解决了WS2等材料的金半接触问题，为产业级集成铺平了道路。同时，基于强的激子效应及独特的能谷极化发光特性、原子层极限厚度易外场调控、不受晶格匹配限制易于集成等特点，二维半导体发光材料为光源器件的高密度集成和光场多参量调控提供契机。

       据了解，张凯团队所研究的是一种高质量黑磷薄膜的二维发光材料。据张凯介绍，黑磷是一种具有高载流子迁移率、0.3~2 eV随厚度可调直接带隙以及各向异性等优异性质的二维层状半导体材料，在新型电子和光电子器件等领域，如高迁移率场效应晶体管、室温宽波段红外探测器及多光谱高分辨成像等方面具有独特的应用优势，受到广泛关注。然而，黑磷的大规模应用开发迄今仍受限于大面积、高质量薄膜的制备。

       张凯团队则开发了一种新的生长策略，引入缓冲层Au3SnP7作为成核点，诱导黑磷在介质基底上的成核生长。所生长的黑磷薄膜具有良好的结晶性及优异的电学性质，室温下的场效应迁移率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，与从黑磷晶体中机械剥离的纳米片相当。此外，比较有趣的是，生长的黑磷薄膜还显示出独特的层状微观结构，由几纳米厚（~5-10 nm）的黑磷层作为单元有序堆叠构成，单元之间保持大致等量纳米级的微小间隙。这样特异的微结构，使得生长的黑磷薄膜相比于常规层间致密堆叠结构黑磷薄膜还表现出优异的光学性能，在红外波段具有增强的红外吸收和光致发光等特性。该研究为大面积、高质量黑磷薄膜的可控制备提供了新途径，也进一步推进了黑磷在高通量器件集成以及新型光电子器件开发等方面的广泛应用。

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