湖南大學(xué)等在《Nature》發(fā)表文章。
近日,湖南大學(xué)段曦東和美國加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒作為共同通訊作者,合作報道了一種可利用金屬性過渡金屬硫化物和半導(dǎo)體性過渡金屬硫化物制備二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的通用合成方法,相關(guān)研究成果以題為“General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays”的文章在線發(fā)表在《Nature》上。湖南大學(xué)二維材料湖南省重點實驗室段曦東課題組的博士生李佳、楊向東,加州大學(xué)洛杉磯分校博士生劉旸,香港理工大學(xué)生物科技應(yīng)用系的黃勃龍教授是論文的共同第一作者。
生長過程示意圖。
VSe2/WSe2范德瓦爾斯異質(zhì)陣列的表征。
二維材料的應(yīng)用前景非常廣闊,二維原子晶體由于超薄、免疫短溝道效應(yīng)等特性成為后摩爾時代半導(dǎo)體材料的領(lǐng)跑者,發(fā)展機遇二維材料的晶體管和集成電路可能是我國解決“芯片”領(lǐng)域“卡脖子”問題,實現(xiàn)我國“芯片”領(lǐng)域彎道超車的一個關(guān)鍵契機。然而二維原子晶體面向電子、光電子實際應(yīng)用需要實現(xiàn)器件的功能化和集成化,面臨一個高效、無損、可規(guī)?;牧霞傻奶魬?zhàn)。要實現(xiàn)二原子晶體在工業(yè)應(yīng)用中的集成化和功能化,大規(guī)模的異質(zhì)結(jié)陣列化是一種非常可行的方案。然而如何大幅提高二維原子晶體范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)量、實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)陣列化一直是阻礙其發(fā)展的主要困難之一。目前,制備二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要方法依然是微機械剝離,這是一種無法有效提高產(chǎn)量的合成手段,更加難以實現(xiàn)面向集成電路的陣列化。
該研究成果開發(fā)了用激光燒蝕等技術(shù)在二維半導(dǎo)體原子晶體基底上定點制造缺陷陣列,金屬納米片在這些缺陷點成核能壘低,優(yōu)先成核??刂瞥〗饘俚纳L條件,最終形成可控的超薄材料/原子級厚度半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)陣列。這種策略適用于各種不同材料,不限于特定化學(xué)組成或晶格結(jié)構(gòu)。作為演示,研究人員利用原子精確的,接近理想的范德華界面制造出各種二維范德華異質(zhì)結(jié),包括VSe2/WSe2,NiTe2 / WSe2,CoTe2/ WSe2,NbTe2 / WSe2,VS2 / WSe2,VSe2/ MoS2和VSe2 / WS2。生長在二維半導(dǎo)體上的二維金屬性過渡金屬硫化物均具有可設(shè)計的周期性排列特點和可在指定區(qū)域進行調(diào)控的橫向尺寸,最終可以晶體管的溝道尺寸和調(diào)節(jié)電路的形態(tài)。
VSe2在圖案化WSe2上的成核生長機制。
VSe2/WSe2范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子顯微學(xué)表征。
二維半導(dǎo)體有著超薄、對環(huán)境高度敏感的特性。因此在用傳統(tǒng)熱蒸發(fā)方式制備器件中的金屬電極時容易損壞原子級薄的半導(dǎo)體溝道材料。研究人員用二維金屬材料作為電極材料,用氣相沉積合成二維金屬納米片/二維半導(dǎo)體垂直異質(zhì)結(jié)陣列,獲得良好的范德華電極-半導(dǎo)體界面。大量的原子結(jié)構(gòu)表征表明合成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)具有原子清晰、接近理想的范德瓦爾斯界面,輪廓分明的摩爾超晶格結(jié)構(gòu)和廣泛可調(diào)的摩爾超晶格周期尺寸。利用這種范德華接觸制備的雙層硒化鎢場效應(yīng)晶體管在溝道長度為1.8 μm時,開態(tài)電流高達900 μA/μm,這是在所有的已報道的單層或者雙層過渡金屬二硫族化合物室溫半導(dǎo)體器件中是最大的,為制備可與硅晶體管競爭的二維材料晶體管帶來了希望。測定得到雙層WSe2溝道場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體載流子遷移率達到137 cm2V?1s?1,而且分布很窄。這清楚地表明制備的范德華異質(zhì)結(jié)能在原子級厚度的二維新型半導(dǎo)體上形成高質(zhì)量的電接觸。同時研究人員在連續(xù)MoS2單層膜上制備了大規(guī)模VSe2/MoS2垂直異質(zhì)結(jié)陣列(>12,000個),良率達~99%。實現(xiàn)了二維范德華金屬/半導(dǎo)體垂直異質(zhì)結(jié)陣列的規(guī)?;Q芯砍晒麨楦咝阅苄滦推骷牧慨a(chǎn)化提供了新的思路,為二維材料的發(fā)展,特別是在電子學(xué)、光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。
此外,用二維材料構(gòu)建傳統(tǒng)材料所不能夠的莫里超晶格對于探索一些基本的物理性質(zhì),包括電子學(xué)的、光電子學(xué)的、自旋電子學(xué)的及超導(dǎo)等性質(zhì)非常重要。而目前的莫里超晶格的構(gòu)鍵主要依賴于機械堆疊法,不僅產(chǎn)率低,而且極難控制。該工作提高了規(guī)模制備各種二維垂直異質(zhì)結(jié)陣列的能力,可以構(gòu)建各種可調(diào)的莫里晶格,為一些基本物理的探索和新型特殊功能的器件構(gòu)建提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
CoTe2/WSe2 以及 NiTe2/WSe2的表征。
VSe2/WSe2范德瓦爾斯異質(zhì)陣列的電學(xué)表征。
制備的大規(guī)模范德華異質(zhì)結(jié)陣列。
文獻鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2098-y General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2098-y)
課題組照片。
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