基于原子力显微镜机械减薄黑磷方法研究

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1、基于原子力显微镜机械减薄黑磷方法研究MechanicalThinningofBlackPhosphorusUsingAFM专业学位类别：仪器仪表工程作者姓名：黑海成指导教师：吴森副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十一月摘要近年来，黑磷因其优异的光电特性受到了广泛的关注。作为一种新型的二维晶体材料，与石墨稀类似，黑磷在层内以共价键的方式耦合，相邻层之间以微弱的范德华力作用，多层黑磷呈现蜂窝状褶皱结构。黑磷拥有随层数变化的直接带隙，但其带隙类型不随层数变化。二维黑磷对可见光及红外光十分敏感，且光响应受黑磷厚度、入射光性质以及掺杂等调制，因此黑

2、磷在光电探测领域将会有广阔的应用前景。黑磷的优异光电性能均受其厚度调控，单层和少层黑磷场效应晶体管开关调控比可达105。空气中的黑磷会在氧气、水以及光照的条件下退化，形成磷氧化合物。实验室条件下主要通过机械剥离法获得超薄层黑磷，对比石墨烯，其制备难度更高。本文提出了一种新型的基于AFM的可控逐层机械减薄黑磷的方法。并借助AFM探针标定系统，定性定量研究了该方法的减薄机理，主要内容如下：1.系统分析了黑磷的研究现状，针对以机械剥离法为主的方法不能可控获得超薄层黑磷的现状，结合悬臂梁标定系统，提出了基于原子力显微镜的黑磷机械减薄方法。2.为准确转移材料，在

3、研究了实验室两种常用材料转移方法的基础上自主搭建了基于光学显微镜的二维材料定向转移平台。并实现了与自动位移台的联用，使转移过程自动化程度更高。3.为定量得到减薄方法的力学参数，需标定悬臂梁弹形常数。在分析了本课题组前辈开发的标定系统的原理以及不足的基础上，提出了新的光路和机械结构改进方案。4.以自主搭建的黑磷减薄软硬件平台为基础，从三个方向出发较全面研究AFM减薄黑磷机理及参数：探究了单点下压试验中AFM探针与黑磷表面的相互作用并得到了减薄黑磷的下压力阈值；探究了单线切削时探针下压力和移动方向对切削的影响；探究了面减薄过程中路径间距和探针移动速度对减薄

4、效果和效率的影响，并得出该方法可实现逐层减薄黑磷的重要结论。5.基于AFM逐层减薄黑磷的方法，我们发展了如下的具体减薄应用：从较厚材料上得到了厚度为1.3nm(两层)的超薄黑磷薄片；制作了黑磷FET器件，分析了减薄前后的输出响应；提出了用AFM探针刮擦方式去除黑磷氧化层的方法；加工了两种不同的三维台阶结构。关键词：原子力显微镜，减薄，黑磷，标定，二维材料，弹性常数ABSTRACTBlackphosphorus,anewtwo-dimensionalsemiconductormaterialhasdrawnmuchattentionbecauseofit

5、sexcellentopticalandelectricalcharacteristicsinrecentyears.Similartographene,eachatomcovalentlylinktogetherwiththethreeadjacentatomsandformapuckeredhoneycombstructurein-layer.WithweakvanderWaalsforce,monolayerBPconnecteachotherandformastackedMulti-layerBP.BPhasadirectbandgapwhic

6、histhicknessdependentwhilethebandgaptypeisnot.Theasymmetrystructureoftheblackphosphorusleadstoanapparentanisotropyintermsofcarriermobility,switchingregulationratio,andYoung'smodulus.Two-dimensionalblackphosphorusisverysensitivetovisiblelightandinfraredlight,andtheresponsecanbemo

7、dulatedbythethicknessofBPandthepropertiesofincidentlight.Therefore,blackphosphorushasalimitlessapplicationinphotoelectricdetection.Theexcellentpropertiesaboveisallthicknessdependent,singlelayerorfewlayerBPFET(filedeffecttransistor)deviceshowsanexcellentcharacteristicswithalargeo

8、n/offratioof105.Theultra-thinBPdegradefastertha