六方氮化硼上生长碲纳米带及其在超高迁移率p型晶体管中的应用

1. 以具有原子级平整度的六方氮化硼(h-BN)纳米片作为化学气相沉积(CVD)系统中的生长衬底，制备出高质量的单晶Te纳米带。

2. 基于h-BN衬底上生长的Te纳米带的场效应晶体管(FET)在室温下表现出高达 1370 cm² V⁻¹s⁻¹的超高空穴迁移率，远大于其他大多数的范德华材料。

本文采用CVD的方法制备Te纳米带，其生长示意图如图1(a)所示，使用二氧化碲(TeO₂)粉末作为生长源，在常压下通入氢/氩(H₂/Ar)混合气作为运载气体和反应气体。当生长源加热到~750℃时，TeO₂被H₂还原，并在H₂/Ar混合运载气体的传输下到达生长衬底，最终将在覆盖有h-BN纳米片的硅片上生长得到长度为几十微米(μm)、宽度为几微米的单晶Te纳米带，其形状为长条状的矩形或梯形，其形貌与水热法制备的Te样品一致，如图1(c)所示。图1(b)展示了h-BN衬底上Te纳米带的晶体结构的俯视图。与其他通过CVD和物理气相沉积(PVD)方法生长的超薄Te纳米片垂直于生长衬底不同，我们制备的Te晶体的c轴平行于h-BN纳米片的表面。在我们的生长策略中引入h-BN纳米片可以为Te纳米带的生长提供具有原子级平整度的表面，并减少表面缺陷态，从而合成高质量的Te纳米带。合成的Te纳米带的厚度在30 nm至70 nm范围内，生长得到的Te纳米带样品的厚度分布非常均匀，其表面也非常干净，而通过水热法制备的Te样品表面明显有杂质存在。除了制备Te纳米带，我们还可以通过调整基板与加热区的距离来控制基板温度来合成 Te 纳米线。由于沿着Te [001]晶向的表面能最低，这意味着沿c轴(即[001]取向)的生长速率最快。在较低的生长温度时，c轴比其他晶向的生长速率快很多，从而产生了Te纳米线；在较高的生长温度时，[100]和[10]晶向反应的能量变得更高，生长速率与沿c轴的生长速率差距减小，因此也出现了矩形和梯形形状的Te纳米带。Te晶体随温度变化的生长行为使得我们在今后的合成策略中可以实现对其形貌的控制。

II Te纳米带的结构表征

III 全局底栅结构Te FET的电学性能

具有原子级平整度表面的范德华材料h-BN为高质量单晶Te纳米带的生长提供了理想的平台。此外，由于h-BN纳米薄片表面没有悬挂键和电荷陷阱，将其用作介电层将会减小沟道和界面的杂质散射。为了研究Te纳米带的电传输特性，我们首先直接在h-BN衬底上生长的Te纳米带上制备了具有全局底栅结构的FET，器件结构如图3(a)所示。为了降低接触电阻，选用较高功函数的的金作为接触电极。图3(b)是一个典型器件的光学照片，其中沟道Te纳米带的厚度为30 nm。该器件的输出和转移特性曲线如图3(c)和(d)所示。从图3(c)可以看出，在不同的栅电压下，源漏电流Id随偏压Vd呈现线性变化，说明Au电极和沟道Te之间为欧姆接触。从图3(d)中的转移特性曲线可以看出，Te纳米带呈现出以p型为主的轻微双极性行为，这表明CVD合成的Te纳米带样品具有很好的晶体质量。受限于我们的Te纳米带的厚度，其带隙大约为0.3 eV，晶体管的开/关比仅有~10²，这是由于栅极静电场无法对较厚沟道的Te进行有效控制。通过以下公式计算Te FET的场效应迁移率：μFE=(gm×L)/(W×Cg×Vds)，其中gm，L，W和Cg和分别表示跨导、沟道长度、沟道宽度和h-BN/SiO₂的电容。根据偏压在10 mV下的转移特性曲线计算，从图3(f)中得到Te FET在室温下的空穴迁移率峰值为1370 cm² V⁻¹s⁻¹。该值高于黑磷FET在室温下的场效应空穴迁移率(~1000 cm² V⁻¹s⁻¹)。我们总结了典型范德华半导体在室温下的场效应迁移率，包括溶液法合成的Te、bP、二硒化钨 (WSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)、二硫化钼(MoS₂)和二硫化铼(ReS₂)。可以看出，我们的器件的空穴迁移率是p型范德华半导体中最高的，也远高于过渡金属硫族化合物。此外，Te FET在空气中表现出良好的稳定性，暴露空气中一周后同一器件的电学性能没有发生明显变化。这可以弥补bP空气中不稳定性质的缺点，为p型范德华半导体材料提供了一种新的选择。

IV 局部底栅结构Te FET的电学性能

图4. (a) h-BN作为介电层的局部底栅Te FET截面示意图。(b) Te FET的输出曲线，插图为局部底栅结构的Te FET的光学图像。(c) 室温下Te FET器件在不同偏压下的输出曲线。(d)从图(c)中Vd=10 mV的偏压下的转移曲线中提取的Te晶体管的场效应迁移率。