中國（guó）研究人員利用Henniker HPT-100等離子體處理係統製備超穩定（dìng）半導體
2D材料是（shì）由單層原子組成的晶體固體。由於厚度僅在（zài）一（yī）個維度受限，這些材料具有獨（dú）特的性質，使其成為光電子、能源發電和高性（xìng）能複合材料等領域的理想（xiǎng）選擇。例如，研究最廣（guǎng）泛的（de）2D材料石墨烯（xī）具（jù）有卓越（yuè）的導電性，且強度高於鋼鐵。
另（lìng）一種2D材料-紫磷（2D-VP）完全（quán）由磷元素構成。其獨特的物（wù）理和電子結構賦予其可調諧的大直接帶隙、高載流子（zǐ）遷移率和強光（guāng）吸收等特性，非常適合用於傳感、發光和光控等光電器件（jiàn）。
然而，紫磷在常溫下的穩定性較差。暴露於（yú）空氣（qì）中時，材（cái）料會因與氧氣反應而逐漸降解，導致所有（yǒu）優異特（tè）性消失，這使（shǐ）其難以集成到實際設備中。
上（shàng）海交通大學（SJTU）由Prof. Siyu Liu & Prof. Yanming Wang的研究團隊決（jué）心解決這（zhè）一穩定性問題。通過複雜的計（jì）算量子模（mó）擬，研究人員發現，在材料中摻入少量氮元素（即“摻雜（zá）”）是提升2D-VP穩定性的關鍵。為實現這一（yī）目標，團隊選（xuǎn）擇了等離（lí）子體處（chù）理技術。
圖1: 研究人員使用HPT-100等離子體係統（tǒng），其數字質量流量控製器可精確調控工藝壓力。圖片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供*
論文第一作者（zhě）Mr Qingyuan He解釋（shì）了選擇等離子體處理的原（yuán）因：
“選擇氮等離子體處理對紫磷進行摻（chān）雜，主要（yào）基於以下考慮：
(1) 真空環境（jìng）：多層紫磷薄片在接觸空氣時極易氧化降（jiàng）解（jiě）。等離子體處理在真空環境中進行，可避免紫磷與氧氣直接接觸，並減少其他汙染風險。
(2) 等離子體處理的雙重功（gōng）能：氮等離子（zǐ）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用強度，我們可（kě）先用物理刻蝕實現原子級平整的紫（zǐ）磷表麵，再通過化學摻雜可控引（yǐn）入氮原（yuán）子。這種組合不僅使表麵光滑、減少活性位點（diǎn），還能實現氮摻雜，從而顯著提（tí）升紫磷納米片的穩定性。*
(3) 實用（yòng）優勢：等離子體處理工藝簡單、高效、溫和（hé）且易於規模化。”
盡管等離子體處理非常適合該任務（wù），但研究團隊仍需精細（xì）優化工藝，以實現原子級平整（zhěng）度和精準的氮摻雜。通過HPT-100等離（lí）子（zǐ）體係（xì）統的精密壓力控製，團隊發現需要（yào）兩（liǎng）步等離子體處理來同時滿足平整度與摻雜要求。
圖2: HPT-100係統的數字質量流量控製器可精確調控工藝壓力。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（lì）方厘米每分（fèn）鍾），實現更高的等離子體（tǐ）壓力。此步驟可去除表麵氧化物並通過（guò）可（kě）控刻蝕獲得原子級平整表麵。
第二步，將流量降至1sccm，降低等離子體壓力的同時賦予氮原子（zǐ）更高能量，實現穩定的2D-VP摻雜（zá），最（zuì）終生成超（chāo）穩定的氮摻（chān）雜紫磷（N-VP）。
原子力顯微鏡測試表明，經過兩步處理（lǐ）後，N-VP的（de）平整度可保持至少60天，而普通2D-VP僅（jǐn）數小時便會降解。這一突破表明，N-VP無需複雜封裝或環境控製即可集成到實際器件中。
圖3: d) 原始（shǐ）紫磷因降解導致粗糙度上升 e) 氮摻雜（zá）紫磷（lín）在60天後仍保（bǎo）持低粗糙度 f) 氮摻雜紫磷的狀（zhuàng）態。圖（tú）片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提（tí）供
該研究證明，等離子體處理能以可控、可擴展且高（gāo）效（xiào）的方式調控材料表麵特性。該團隊的（de）其他（tā）實驗表（biǎo）明，此工藝也適用於黑磷等其他2D材料，未來或（huò）可拓展至過渡金屬硫族化合物（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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