张晗教授综述：二维碲烯的研究进展、挑战与展望

II 二维碲合成方法

二维碲纳米片可以通过多种简便的方法高效合成，其中包括常用的几种合成技术，即物理气相沉积法、分子束外延生长法、溶液合成法、水热法合成和热蒸发，如图Figure 2(a~d)。

图2. (a)物理气相沉积法；(b)分子束外延生长法；(c)溶液合成法(说的不准确)；(d)水热法合成法。

III 二维碲在光电领域中的应用

二维碲具有独特的螺旋链结构、良好的环境稳定性、高的载流子迁移率和低成本的合成方法，在高性能的二维材料基电子和光电子器件中具有巨大的应用潜力。

3.1 光电探测器

水热法合成、环境稳定的准二维碲纳米薄膜已被应用在近红外-中红外光电探测器中。作者团队介绍了采用Au/Al₂O₃光腔基片进一步增强器件的吸收。另外，通过调控Al₂O₃间隔层的厚度，可以将器件的峰值光响应波长从1.4 μm(13 A/W)调谐到2.4 μm(8 A/W)，非零光响应度高达3.4 μm，如图3a所示。在78 K和297 K的温度下测量了作为各种激光波长的函数的响应度(图3b)。响应度在λ=1.7 μm处达到峰值，分别为27 A/W(78 K)和16 A/W(297 K)。在78和297 K时，相应的计算比探测率分别为2.6×10¹¹和2.9×10⁹(图3c)。78 K下比探测率的提高是由于比室温下更有效地抑制了噪声电流，这与比探测率成反比。这些结果证明，溶液法制备的2D-Te纳米片适用于覆盖整个近红外波段的高性能光电探测。

图3. 二维碲中红外探测器。

3.2 场效应晶体管

作者团队介绍了一种基于溶液合成法制备二维碲纳米片的高性能场效应晶体管。当沟道长度为3 μm时，其漏极电流超过了300 mA/mm，开关比约为10⁵。在室当样品厚度约~15 nm时，室温下的场效应迁移率约700 cm²/V/s(图4a)。同时二维碲展出现了优异的空气稳定性，在没有任何封装处理的空气中暴露55天后，漏电流才略有变化，(图4b)。通过进一步减小沟道长度获得超过1.06 A/mm的最大漏极电流(图4c)。

图4. 二维碲场效应晶体管性能。

3.3 压电器件

相比于现有的压电材料，单层以及多层二维碲具有最高的压电应变系数以及较高的功函数，这就使得二维碲在压电器件应用中有着巨大的优势。作者团队介绍了一种基于二维碲制备的压电器件，如图5a以及5b所示。经过周期性的弯曲试验后，获得了290 nA 的闭路电流以及 3 V的开路电压 (图5c，5d)。此外，为了进一步确认二维碲压电器件的性能，在施加一个8 N的压缩力以及10 Hz的驱动频率后，压电器件输出的功率密度高达2.07 mW/cm²，这一功率密度足以同时点亮10个发光二极管。

图5. 基于二维碲制备的压电器件。

3.5 俘能器

大量的实验以及理论研究表明二维碲具有优越的热电性能，这有利于进一步发展基于二维碲的新一代热电器件。作者团队介绍了一种基于二维碲制备的热电器件，如图7a所示。在入射光功率为3 mW时，热电器件产生的电流高达3 μA，这一数值远大于之前的报道。此外，二维碲也可以应用于太阳能电池并获得了高达20.8%的能量转换效率 (图7b)。

图7. (a)二维碲热电器件示意图。(b)二维碲太阳能电池能量转化效率。

3.6 逻辑门与回路

基于二维碲制备的场效应晶体管具有较高的均匀性，使得其可以进一步应用于逻辑门与回路。作者团队介绍了一种基于P-型二维碲场效应晶体管制备的逻辑门与回路 (图8a、8b)。在Vdd=1以及2 V的情况下获得的增益分别为22以及38。此外，随着在回路中的场效应晶体管数量从35个增加至39个，最大输出电压损失从6%降至3%。

图8. 基于P-型二维碲场效应晶体管制备的逻辑门与回路。

IV 总结

最后本综述对提二维碲发展过程中所面临的挑战和机遇进行了总结：

1. 现有的合成技术对于设备，环境要求较为苛刻，如何实现高效，简易的合成方法有待于进一步探索，特别是开展对二维碲的可控制备。

2. 对于光电器件应用，目前大多数报道都集中在可见光至近红外波段，拓展其响应波段至中红外波段是下一步工作中需要重点探索的。

3. 基于二维碲制备的波导以及自由空间调制器目前报道较少，需要通过进一步研究揭示其调制机制以及提升调制器的性能参数。

4. 拓展二维碲的应用领域，例如高集成度芯片，生物医药，激光，透明电子器件以及显示等。