自 2004 年第一種二維材料-石墨烯被成功制備以來，更多的二維材料不斷地被發(fā)現，從單質二維材料(如石墨烯、磷烯、碲烯等)到金屬硫族化合物(InSe、SnSe、MoS?、WS? 等)。由于二維材料表現出眾多塊體材料所不具備的特殊性質，如材料表面無懸掛健、特殊的光與物質相互作用、帶隙可調、力學柔韌性強等特性，從而引起了人們的極大關注。

摻雜工程作為一種重要而有效的二維材料電子、光學等特性調控手段，在邏輯電路、傳感器件和光電子器件中被廣泛應用。然而必須指出的是，目前常用的摻雜方式，如熔融替位摻雜、電荷轉移摻雜、化學插層摻雜等，在摻雜過程中必須使用額外的試劑，進而可能對二維材料本身帶來污染物，而且這些技術只能在材料合成或器件制造的特定步驟中應用，存在一定的局限性。

近日，深圳大學張晗和紐約州立大學Paras N. Prasad團隊提出一種基于中子輻照嬗變摻雜二維材料的方法，這也是首次提出與實現了中子輻照嬗變摻雜二維材料，實現了對二維硒化銦基光電探測器在器件性能上的提升。該方法是首次將嬗變摻雜作用于二維材料及其器件，實現了二維硒化銦基光電探測器在響應度上的提升和探測波長的拓寬。

該成果以 In-situ neutron-transmutation for substitutional doping in 2D layered indium selenide based phototransistor 為題發(fā)表于 eLight ? 1 ?，并被 Light: Science & Applications 以 “Clean” doping to advance 2D material phototransistors 為題在“News & Views”? 2 ?中報道（該報道由上海技術物理所的胡偉達研究員和王鵬研究員撰寫）。

胡偉達研究員和王鵬研究員指出，過往的二維材料摻雜主要在晶體生長階段或是生長后階段，限制了摻雜的程序。此外，由于表面電荷轉移和插層摻雜等因素，在摻雜后，還可能引入污染物。本篇 eLight文章首次提出了這種“干凈”摻雜法，通過中子嬗變摻雜來調控二維材料的電子和光電特性，實現了“干凈”且“靈活”的摻雜。

中子嬗變摻雜是一種采用中子輻照的方式來對材料進行摻雜的一種技術，可以實現可控的原位的替位摻雜。與上述傳統(tǒng)的化學摻雜方式相比，中子嬗變摻雜可以在不引入外源試劑條件下，實現器件在任何制備環(huán)節(jié)中的摻雜操作，從而達到“干凈”且“靈活”的摻雜目的。

圖1：二維硒化銦的中子嬗變摻雜示意圖

中子輻照嬗變摻雜的效果取決于組成材料元素的俘獲截面、自然豐度和輻照劑量。二維硒化銦材料中銦同位素的相對自然豐度為 95.7%，且具有非常大的中子俘獲截面為 199 靶恩。如圖1所示，二維硒化銦的晶格中部分銦原子在熱中子輻照下會轉變?yōu)殄a原子，達到淺施主摻雜的效果。通過控制中子的輻照通量和輻射時間，可實現對二維硒化銦中錫雜質濃度的精準優(yōu)化，該結果已通過電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜和球差電子顯微鏡等表征手段證明。

中子嬗變摻雜后的二維硒化銦基晶體管表現出了場效應電子遷移率的顯著提升，從 1.92 cm2 V?1 s?1 提高到 195 cm2 V?1 s?1；在 405 nm 波長激發(fā)下，其光電探測器的響應率提高了約 50 倍，達到 397 A/W，比探測率提高了 1 個數量級，達到 2.89 × 1011 Jones，以及該器件的探測波長拓寬到 1064 nm。這些性能改善源自于摻雜過程誘導的二維硒化銦展現出更小的有效質量、更長的電子壽命和更窄的帶隙。

圖2：硒化銦光電器件及其輻照前后器件性能

該項研究證明中子嬗變摻雜是一種“干凈”且“靈活”的摻雜方式，可以實現二維硒化銦材料的淺施主摻雜，從而對二維硒化銦基光電探測器件的輸運和光響應有效地改善。該方法為原位摻雜二維材料和二維材料基高性能光電器件的開發(fā)提供了一個新的方向。

論文信息與相關報道

【1】Guo, Z., Zeng, Y., Meng. F. et al. In-situ neutron-transmutation for substitutional doping in 2D layered indium selenide based phototransistor. eLight 2, 9 (2022). 

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00017-z

【2】Wang, Z., Wang, P. & Hu, W. “Clean” doping to advance 2D material phototransistors. Light Sci Appl 11, 169 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00842-4

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