中国研究人员利用Henniker HPT-100等离子体处理系统制备超稳定半导体
2D材料是由单层原子组成的晶体固体。由于厚度仅在一个维度受限，这些材料具有独特的性质，使其成为光电子、能源发电和高性能复合材料等领域的理想选择。例如，研究最广泛的2D材料石墨烯具有卓越的导电性，且强度高于钢铁。
另一种2D材料-紫磷（2D-VP）完全由磷元素构成。其独特的物理和电子结构赋予其可调谐的大直接带隙、高载流子迁移率和强光吸收等特性，非常适合用于传感、发光和光控等光电器件。
然而，紫磷在常温下的稳定性较差。暴露于空气中时，材料会因与氧气反应而逐渐降解，导致所有优异特性消失，这使其难以集成到实际设备中。
上海交通大学（SJTU）由Prof. Siyu Liu & Prof. Yanming Wang的研究团队决心解决这一稳定性问题。通过复杂的计算量子模拟，研究人员发现，在材料中掺入少量氮元素（即“掺杂”）是提升2D-VP稳定性的关键。为实现这一目标，团队选择了等离子体处理技术。
图1: 研究人员使用HPT-100等离子体系统，其数字质量流量控制器可精确调控工艺压力。图片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供*
论文第一作者Mr Qingyuan He解释了选择等离子体处理的原因：
“选择氮等离子体处理对紫磷进行掺杂，主要基于以下考虑：
(1) 真空环境：多层紫磷薄片在接触空气时极易氧化降解。等离子体处理在真空环境中进行，可避免紫磷与氧气直接接触，并减少其他污染风险。
(2) 等离子体处理的双重功能：氮等离子体处理包含物理刻蚀和化学掺杂。通过精确调控两者的作用强度，我们可先用物理刻蚀实现原子级平整的紫磷表面，再通过化学掺杂可控引入氮原子。这种组合不仅使表面光滑、减少活性位点，还能实现氮掺杂，从而显著提升紫磷纳米片的稳定性。*
(3) 实用优势：等离子体处理工艺简单、高效、温和且易于规模化。”
尽管等离子体处理非常适合该任务，但研究团队仍需精细优化工艺，以实现原子级平整度和精准的氮掺杂。通过HPT-100等离子体系统的精密压力控制，团队发现需要两步等离子体处理来同时满足平整度与掺杂要求。
图2: HPT-100系统的数字质量流量控制器可精确调控工艺压力。图片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供*
第一步，通过将HPT-100的流量调至20sccm（标准立方厘米每分钟），实现更高的等离子体压力。此步骤可去除表面氧化物并通过可控刻蚀获得原子级平整表面。
第二步，将流量降至1sccm，降低等离子体压力的同时赋予氮原子更高能量，实现稳定的2D-VP掺杂，最终生成超稳定的氮掺杂紫磷（N-VP）。
原子力显微镜测试表明，经过两步处理后，N-VP的平整度可保持至少60天，而普通2D-VP仅数小时便会降解。这一突破表明，N-VP无需复杂封装或环境控制即可集成到实际器件中。
图3: d) 原始紫磷因降解导致粗糙度上升 e) 氮掺杂紫磷在60天后仍保持低粗糙度 f) 氮掺杂紫磷的状态。图片由DOI: 10.1021/acsnano.4c09083提供
该研究证明，等离子体处理能以可控、可扩展且高效的方式调控材料表面特性。该团队的其他实验表明，此工艺也适用于黑磷等其他2D材料，未来或可拓展至过渡金属硫族化合物（如MoS₂、WSe₂）。
本文翻译自Henniker：
Researchers in China produce Ultra stable Semiconductor using Henniker HPT-100 - Henniker Plasma
参考：
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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