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Two-Dimensional Violet Phosphorus: A p-Type Semiconductor for (Opto)electronics
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2022-02-18 , DOI: 10.1021/jacs.1c12931 Antonio Gaetano Ricciardulli 1 , Ye Wang 1 , Sheng Yang 2 , Paolo Samorì 1
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2022-02-18 , DOI: 10.1021/jacs.1c12931 Antonio Gaetano Ricciardulli 1 , Ye Wang 1 , Sheng Yang 2 , Paolo Samorì 1
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The synthesis of novel two-dimensional (2D) materials displaying an unprecedented composition and structure via the exfoliation of layered systems provides access to uncharted properties. For application in optoelectronics, a vast majority of exfoliated 2D semiconductors possess n-type or more seldom ambipolar characteristics. The shortage of p-type 2D semiconductors enormously hinders the extensive engineering of 2D devices for complementary metal oxide semiconductors (CMOSs) and beyond CMOS applications. However, despite the recent progress in the development of 2D materials endowed with p-type behaviors by direct synthesis or p-doping strategies, finding new structures is still of primary importance. Here, we report the sonication-assisted liquid-phase exfoliation of violet phosphorus (VP) crystals into few-layer-thick flakes and the first exploration of their electrical and optical properties. Field-effect transistors based on exfoliated VP thin films exhibit a p-type transport feature with an Ion/Ioff ratio of 104 and a hole mobility of 2.25 cm2 V–1 s–1 at room temperature. In addition, the VP film-based photodetectors display a photoresponsivity (R) of 10 mA W–1 and a response time down to 0.16 s. Finally, VP embedded into CMOS inverter arrays displays a voltage gain of ∼17. This scalable production method and high quality of the exfoliated material combined with the excellent optoelectronic performances make VP an enticing and versatile p-type candidate for next-generation more-than-Moore (opto)electronics.
中文翻译：
二维紫磷：用于（光）电子学的 p 型半导体
通过分层系统的剥离，合成具有前所未有的成分和结构的新型二维 (2D) 材料提供了获得未知特性的途径。对于光电领域的应用，绝大多数剥离的 2D 半导体具有 n 型或更罕见的双极特性。p 型二维半导体的短缺极大地阻碍了用于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和超越 CMOS 应用的二维器件的广泛工程设计。然而，尽管最近通过直接合成或 p 掺杂策略在开发具有 p 型行为的二维材料方面取得了进展，但寻找新结构仍然是最重要的。这里，我们报告了紫磷（VP）晶体的超声辅助液相剥离成几层厚的薄片，并首次探索了它们的电学和光学特性。基于剥离 VP 薄膜的场效应晶体管表现出 p 型传输特性，具有室温下的I on / I off比为 10 4，空穴迁移率为 2.25 cm 2 V –1 s –1 。此外，基于 VP 薄膜的光电探测器显示出10 mA W –1的光响应性 ( R )和低至 0.16 s 的响应时间。最后，嵌入 CMOS 反相器阵列的 VP 显示出约 17 的电压增益。这种可扩展的生产方法和剥离材料的高品质结合出色的光电性能，使 VP 成为下一代超越摩尔（光电）电子产品的诱人且多功能的 p 型候选者。
更新日期：2022-02-18
中文翻译：
二维紫磷：用于（光）电子学的 p 型半导体
通过分层系统的剥离，合成具有前所未有的成分和结构的新型二维 (2D) 材料提供了获得未知特性的途径。对于光电领域的应用，绝大多数剥离的 2D 半导体具有 n 型或更罕见的双极特性。p 型二维半导体的短缺极大地阻碍了用于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和超越 CMOS 应用的二维器件的广泛工程设计。然而，尽管最近通过直接合成或 p 掺杂策略在开发具有 p 型行为的二维材料方面取得了进展，但寻找新结构仍然是最重要的。这里，我们报告了紫磷（VP）晶体的超声辅助液相剥离成几层厚的薄片，并首次探索了它们的电学和光学特性。基于剥离 VP 薄膜的场效应晶体管表现出 p 型传输特性，具有室温下的I on / I off比为 10 4，空穴迁移率为 2.25 cm 2 V –1 s –1 。此外，基于 VP 薄膜的光电探测器显示出10 mA W –1的光响应性 ( R )和低至 0.16 s 的响应时间。最后，嵌入 CMOS 反相器阵列的 VP 显示出约 17 的电压增益。这种可扩展的生产方法和剥离材料的高品质结合出色的光电性能，使 VP 成为下一代超越摩尔（光电）电子产品的诱人且多功能的 p 型候选者。
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