研究表明:襯底缺陷是二維材料增長的關鍵!

2020-12-05 博科園

儘管付出了巨大的努力，創造足夠大的二維材料用於電子領域仍然是一項挑戰，但現在，賓夕法尼亞州立大學研究人員發現了一種提高一類二維材料質量的方法，未來有望實現晶片規模的增長。

自從康斯坦丁·諾沃塞洛夫(Konstantin Novoselov)和安德烈·海姆(Andre Geim)用簡單的膠帶從大塊石墨烯上剝離出一層碳原子後，具有不同尋常性能的二維材料。儘管對這些石墨烯的小碎片已經進行了大量科學研究，但工業規模的石墨烯層很難生長。

在為下一代電子產品設想的材料中，一組名為過渡金屬雙滷代烷的半導體處於前沿。TMDs只有幾個原子厚，但在發光方面非常有效，這使它們成為光電器件(如發光二極體、光電探測器或單光子發射器)的候選材料。賓州州立大學材料科學與電子學教授、美國國家科學基金會材料創新平臺2d晶體聯盟(Penn State's 2d crystal Consortium)主任瓊·雷丁(Joan Redwing)說：

我們的最終目標是用二烯化鎢或二硫化鉬薄片製作單層薄膜，然後用化學氣相沉積法沉積它們，這樣就能在整個晶圓上形成完美的單晶層，問題來自於原子在標準基底(如藍寶石)上沉積時的組織方式。

圖示氮化硼表面與鎢原子錨定三角形區域，說明方向的缺陷控制。圖片：Xiaotian Zhang/Penn State由於晶體結構的TMDs，形成三角形，因為開始蔓延到整個襯底。三角形可以朝向相反的方向，概率相等。當它們碰撞並融合在一起形成一個連續的薄片時，它們形成的邊界就像一個巨大缺陷，大大降低了晶體的電子和光學特性。當載流子，如電子或空穴，遇到這種被稱為反轉域邊界的缺陷時，它們就會散射，這一直是TMD增長的一個經典問題。

在發表在《ACS Nano》和《Physical Review B》上的研究中，賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程、物理、化學和工程科學與力學部門的研究人員表明，如果TMDs生長在六邊形氮化硼表面，85%或更多的TMDs將指向同一個方向。

物理、材料科學、工程和化學的傑出教授Vin Crespi和他的團隊進行了模擬來解釋為什麼會發生這種情況。他們發現，六方氮化硼表面缺硼或缺氮原子的空位可以困住金屬原子鎢或鉬，並使三角形定向到一個更合適的方向。與生長在藍寶石上的二維TMDs相比，改進後的材料具有更高的光致發光發射能力和更高電子遷移率。Redwing說：我們的下一步是開發一種在晶圓片上生長六方氮化硼的工藝。這就是我們現在正在做的，控制缺陷和在大的表面上生長單晶層是很困難，許多組織都在研究這個問題。

博科園-科學科普｜研究/來自: 賓夕法尼亞州立大學參考期刊文獻:《ACS Nano》,《物理評論B》DOI: 10.1021/acsnano.8b09230DOI: 10.1103/PhysRevB.99.155430博科園-傳遞宇宙科學之美

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