中（zhōng）國研（yán）究人員利用Henniker HPT-100等離子體（tǐ）處理係統製備超（chāo）穩定半導體
2D材料是由單層原子（zǐ）組成的晶體固體。由於厚度僅在一個維度受限，這些材料具（jù）有（yǒu）獨特的性質，使其（qí）成為光電子（zǐ）、能源發電和高性（xìng）能複合材（cái）料等領域的（de）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（zǐ）磷（lín）（2D-VP）完全由磷元素構成。其獨特的物理和電子結構賦予（yǔ）其（qí）可調諧的大直接帶隙、高載流（liú）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（wěn）定性較差。暴露於空（kōng）氣中時，材料會因（yīn）與氧氣反（fǎn）應而逐漸降解，導致所有優異特性消失，這使（shǐ）其難以（yǐ）集成到實際設備中。
上海交通大學（SJTU）由Prof. Siyu Liu & Prof. Yanming Wang的研（yán）究（jiū）團隊決心解決這一穩定性問（wèn）題。通過（guò）複雜的計（jì）算量子模擬，研究人員發現，在材料中摻入（rù）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（lí）子體處理技術。
圖1: 研究人員使用HPT-100等離子體（tǐ）係統，其數字質量流量（liàng）控製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（zuò）者Mr Qingyuan He解釋了選擇等離子（zǐ）體處理的原因：
“選擇氮等離子（zǐ）體處理對紫磷進行摻雜，主要（yào）基於以下考慮：
(1) 真空環（huán）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（lǐ）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（tā）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（shí）和化學摻雜。通過精確調控兩者的作（zuò）用強度，我們可（kě）先用物理刻蝕實（shí）現原子級平整的紫磷表麵，再通過（guò）化學摻雜可控引入氮原子。這種組合不僅（jǐn）使表麵光滑、減少（shǎo）活性位點，還能實現氮摻雜（zá），從而顯著提（tí）升紫磷納米片的穩定性（xìng）。*
(3) 實用優勢：等離子體處理（lǐ）工藝簡單、高效、溫和且易於規模化。”
儘管等離（lí）子（zǐ）體處理非常適合該任務，但（dàn）研究團（tuán）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（zá）。通過HPT-100等離子（zǐ）體係統的精密壓力控製，團隊發現需要（yào）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係統（tǒng）的數（shù）字質（zhì）量流量控製器可精確調控工（gōng）藝壓力。圖片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供*
第一（yī）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（lì）。此步驟可去除表麵（miàn）氧化物並通過可控（kòng）刻蝕獲得原子級平（píng）整表麵。
第二步，將流量降至1sccm，降低（dī）等離子體壓力的同（tóng）時（shí）賦予氮原（yuán）子更高能量，實現穩定的2D-VP摻雜，最終生成（chéng）超（chāo）穩定的氮摻雜紫磷（N-VP）。
原子力顯微鏡測試表明，經過兩步（bù）處理後，N-VP的平（píng）整度可保持至少60天（tiān），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製（zhì）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（tiān）後仍保持（chí）低粗糙度 f) 氮摻雜紫磷的狀態。圖片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供（gòng）
該研究證明，等離子體處理能以可控、可擴展且高（gāo）效的方式調控材料表麵特性。該團隊的（de）其他實驗表（biǎo）明，此工藝也適用於黑磷等其他2D材料，未來或可拓展至過（guò）渡（dù）金屬硫（liú）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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