日前，鄭州大學(xué)物理學(xué)院在石墨相氮化碳（g-CN）薄膜的可控制備和光電器件領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，相關(guān)成果以題為“Wafer-scale growth of two-dimensional graphitic carbon nitride films”的論文發(fā)表在Cell旗艦期刊《Matter》上。物理學(xué)院碩士研究生劉志豫、深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院副研究員王春楓和物理學(xué)院朱志立副教授為共同第一作者，物理學(xué)院婁慶副教授、董林教授和單崇新教授為共同通訊作者，鄭州大學(xué)為第一作者單位。

g-CN是一種類石墨烯二維碳基層狀材料，被稱為可見光催化領(lǐng)域的“圣杯”。與石墨烯所不同，g-CN具有2.7 eV的本征光子帶隙，故而其在半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域的研究與應(yīng)用備受期待。然而，之前該材料報(bào)道多為粉末或塊體，雖可通過剝離處理及涂布制備薄膜，但其晶體質(zhì)量、界面缺陷、表面粗糙度等均無法滿足半導(dǎo)體光電器件的基本要求，嚴(yán)重阻礙了其在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的發(fā)展。因此，開發(fā)新的薄膜生長工藝，獲得高質(zhì)量g-CN薄膜對(duì)其在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的潛在應(yīng)用非常重要。

針對(duì)該問題，課題組提出采用氣相傳輸輔助縮聚的思路，通過促進(jìn)襯底表面的前驅(qū)體橫向遷移，解決了傳統(tǒng)高溫氣相合成工藝中的非平衡縮聚問題，首次實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)大面積高質(zhì)量g-CN薄膜的可控制備。同時(shí)，課題組開發(fā)出水輔助綠色濕法轉(zhuǎn)移工藝，該工藝與現(xiàn)有微納光刻工藝完全兼容，且以水為轉(zhuǎn)移介質(zhì)，無環(huán)境危害。在此基礎(chǔ)上，課題組實(shí)現(xiàn)了基于g-CN薄膜的柔性大面積光電探測器陣列，并展示了其在成像領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該研究解決了g-CN基半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)面臨的材料大面積可控生長這一基礎(chǔ)性問題，有望推動(dòng)g-CN材料在半導(dǎo)體光電領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金、河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目和深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的支持。

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