中國研究人員利用Henniker HPT-100等離子體處理系統製備超穩定半導體
2D材料是由單層原子組成的晶體固體。由於厚度僅在一個維度受限，這些材料具有獨特的性質，使其成為光電子、能源發電和高性能複合材料等領域的理想選擇。例如，研究最廣泛的2D材料石墨烯具有卓越的導電性，且強度高於鋼鐵。
另一種2D材料-紫磷（2D-VP）完全由磷元素構成。其獨特的物理和電子結構賦予其可調諧的大直接帶隙、高載流子遷移率和強光吸收等特性，非常適合用於傳感、發光和光控等光電器件。
然而，紫磷在常溫下的穩定性較差。暴露於空氣中時，材料會因與氧氣反應而逐漸降解，導致所有優異特性消失，這使其難以集成到實際設備中。
上海交通大學（SJTU）由Prof. Siyu Liu & Prof. Yanming Wang的研究團隊決心解決這一穩定性問題。通過複雜的計算量子模擬，研究人員發現，在材料中摻入少量氮元素（即“摻雜”）是提升2D-VP穩定性的關鍵。為實現這一目標，團隊選擇了等離子體處理技術。
圖1: 研究人員使用HPT-100等離子體系統，其數字質量流量控制器可精確調控工藝壓力。圖片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供*
論文第一作者Mr 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紫磷進行摻雜，主要基於以下考慮：
(1) 真空環境：多層紫磷薄片在接觸空氣時極易氧化降解。等離子體處理在真空環境中進行，可避免紫磷與氧氣直接接觸，並減少其他汙染風險。
(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摻雜。通過精確調控兩者的作用強度，我們可先用物理刻蝕實現原子級平整的紫磷表面，再通過化學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，還能實現氮摻雜，從而顯著提升紫磷納米片的穩定性。*
(3) 實用優勢：等離子體處理工藝簡單、高效、溫和且易於規模化。”
儘管等離子體處理非常適合該任務，但研究團隊仍需精細優化工藝，以實現原子級平整度和精準的氮摻雜。通過HPT-100等離子體系統的精密壓力控制，團隊發現需要兩步等離子體處理來同時滿足平整度與摻雜要求。
圖2: HPT-100系統的數字質量流量控制器可精確調控工藝壓力。圖片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供*
第一步，通過將HPT-100的流量調至20sccm（標準立方厘米每分鐘），實現更高的等離子體壓力。此步驟可去除表面氧化物並通過可控刻蝕獲得原子級平整表面。
第二步，將流量降至1sccm，降低等離子體壓力的同時賦予氮原子更高能量，實現穩定的2D-VP摻雜，最終生成超穩定的氮摻雜紫磷（N-VP）。
原子力顯微鏡測試表明，經過兩步處理後，N-VP的平整度可保持至少60天，而普通2D-VP僅數小時便會降解。這一突破錶明，N-VP無需複雜封裝或環境控制即可集成到實際器件中。
圖3: d) 原始紫磷因降解導致粗糙度上升 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。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、可擴展且高效的方式調控材料表面特性。該團隊的其他實驗表明，此工藝也適用於黑磷等其他2D材料，未來或可拓展至過渡金屬硫族化合物（如MoS₂、WSe₂）。
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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