湖南大學段曦東教授在Nature發表研究成果:二維異質結構陣列的通用...

2021-01-15 騰訊網

來源：湖南大學官網

近日，湖南大學段曦東和美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒作為共同通訊作者，合作報導了一種可利用金屬性過渡金屬硫化物和半導體性過渡金屬硫化物製備二維範德瓦爾斯異質結構陣列的通用合成方法，相關研究成果以題為「General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructurearrays」的文章在線發表在《Nature》上。

湖南大學等在《Nature》發表文章

湖南大學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，加州大學洛杉磯分校博士生劉暘，香港理工大學生物科技應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範德瓦爾斯異質陣列的表徵

二維材料的應用前景非常廣闊，二維原子晶體由於超薄、免疫短溝道效應等特性成為後摩爾時代半導體材料的領跑者，發展機遇二維材料的電晶體和集成電路可能是我國解決「晶片」領域「卡脖子」問題，實現我國「晶片」領域彎道超車的一個關鍵契機。然而二維原子晶體面向電子、光電子實際應用需要實現器件的功能化和集成化，面臨一個高效、無損、可規模化材料集成的挑戰。

要實現二原子晶體在工業應用中的集成化和功能化，大規模的異質結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範德瓦爾斯異質結構的產量、實現異質結陣列化一直是阻礙其發展的主要困難之一。目前，製備二維範德瓦爾斯異質結構的主要方法依然是微機械剝離，這是一種無法有效提高產量的合成手段，更加難以實現面向集成電路的陣列化。

該研究成果開發了用雷射燒蝕等技術在二維半導體原子晶體基底上定點製造缺陷陣列，金屬納米片在這些缺陷點成核能壘低，優先成核。控制超薄金屬的生長條件，最終形成可控的超薄材料/原子級厚度半導體異質結陣列。這種策略適用於各種不同材料，不限於特定化學組成或晶格結構。

作為演示，研究人員利用原子精確的，接近理想的範德華界面製造出各種二維範德華異質結，包括VSe2/WSe2，NiTe2 / WSe2，CoTe2/ WSe2，NbTe2 / WSe2，VS2 / WSe2，VSe2/ MoS2和VSe2 / WS2。生長在二維半導體上的二維金屬性過渡金屬硫化物均具有可設計的周期性排列特點和可在指定區域進行調控的橫向尺寸，最終可以電晶體的溝道尺寸和調節電路的形態。

VSe2在圖案化WSe2上的成核生長機制。

VSe2/WSe2範德瓦爾斯異質結構的電子顯微學表徵

二維半導體有著超薄、對環境高度敏感的特性。因此在用傳統熱蒸發方式製備器件中的金屬電極時容易損壞原子級薄的半導體溝道材料。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/二維半導體垂直異質結陣列，獲得良好的範德華電極-半導體界面。大量的原子結構表徵表明合成的範德瓦爾斯異質結具有原子清晰、接近理想的範德瓦爾斯界面，輪廓分明的摩爾超晶格結構和廣泛可調的摩爾超晶格周期尺寸。

利用這種範德華接觸製備的雙層硒化鎢場效應電晶體在溝道長度為1.8 μm時，開態電流高達900 μA/μm，這是在所有的已報導的單層或者雙層過渡金屬二硫族化合物室溫半導體器件中是最大的，為製備可與矽電晶體競爭的二維材料電晶體帶來了希望。測定得到雙層WSe2溝道場效應電晶體的半導體載流子遷移率達到137 cm2V−1s−1，而且分布很窄。

這清楚地表明製備的範德華異質結能在原子級厚度的二維新型半導體上形成高質量的電接觸。同時研究人員在連續MoS2單層膜上製備了大規模VSe2/MoS2垂直異質結陣列（＞12,000個），良率達~99%。實現了二維範德華金屬/半導體垂直異質結陣列的規模化。研究成果為高性能新型器件的量產化提供了新的思路，為二維材料的發展，特別是在電子學、光電子學領域的應用奠定了堅實的基礎。

此外，用二維材料構建傳統材料所不能夠的莫裡超晶格對於探索一些基本的物理性質，包括電子學的、光電子學的、自旋電子學的及超導等性質非常重要。而目前的莫裡超晶格的構鍵主要依賴於機械堆疊法，不僅產率低，而且極難控制。該工作提高了規模製備各種二維垂直異質結陣列的能力，可以構建各種可調的莫裡晶格，為一些基本物理的探索和新型特殊功能的器件構建提供了物質基礎。

CoTe2/WSe2以及 NiTe2/WSe2的表徵

VSe2/WSe2範德瓦爾斯異質陣列的電學表徵

製備的大規模範德華異質結陣列

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