Nature Materials: TMD納米帶合成新方法

2020-09-11 研之成理

▲第一作者：Areej Aljarb

共同通訊：Lain-Jong Li and Vincent Tung
通訊單位：King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, Kingdom of Saudi Arabia

DOI：10.1038/s41563-020-0795-4

背景介紹

在摩爾定律（Moore’s Law）的指導下，通過對平面電晶體的尺寸和電壓進行比例縮放來提高性能並且節約成本。鰭式場效應電晶體（Fin-FET）的誕生為進一步的器件擴展創造了機會，但Fin-FET的縮放受到短溝道效應的限制。在對FET架構的設計更新過程中，通過使用多堆疊半導體納米片和周圍柵極金屬組成新興的堆疊結構表現出更好的短溝道控制能力，有望於進一步擴展摩爾定律。在這種結構中，具有高長寬比的單層單晶過渡金屬硫屬化合物（TMD）納米帶具有極大的應用潛力。雖然現在已有的針對TMD納米帶合成策略可以單獨控制層數、結晶度、自對準和尺寸，但是仍缺乏能夠將上述所有特性協同結合的TMD納米帶的製備途徑。

本文亮點

1. 通過使用ledge-directed epitaxy (LDE) 輔助化學氣相沉積（CVD）法在 β-Ga2O3 (100) 襯底上製備連續、自對準、單層單晶的MoS2納米帶陣列；

2. LDE-MoS2納米帶具有長距離的空間均勻性，電荷傳輸性能與機械剝離的樣品相當，具有108的開關比和 65 cm2 V-1 s-1的電子遷移率（室溫）;

3. LDE-MoS2納米帶可以輕鬆轉移到其他基底上，並且β-Ga2O3可以重複使用；

4. LDE也可用於p-WSe2納米帶的製備，是一種通用的外延生長技術。

圖文解析


● 圖1. LDE生長單層MoS2納米帶

a. LDE-MoS2生長方法示意圖。(i) 使用帶有裸漏壁架的單晶β-Ga2O3（100）作為襯底；(ii) 具有最佳取向的MoS2晶核在β-Ga2O3的壁架上形核；(iii) MoS2晶疇對準形成連續的納米帶；(iv) 使用PDMS輔助轉移工藝，可以輕易的從β-Ga2O3（100）基底上將MoS2納米帶剝離並轉移到任意基底上；(v) 剝離後的β-Ga2O3基底可用於新一輪生長。b. 計算生成β-Ga2O3（100）的晶體結構，包括（-201）和（001）壁架的橫截面圖。c-e. 通過原子力顯微鏡（AFM）表徵MoS2納米帶生長的各個階段。f. 對準的MoS2納米帶陣列的AFM照片。g. 連續、大尺寸的MoS2納米帶陣列的SEM照片。


● 圖2. 通過二次諧波（SHG）顯微鏡和dark-field (DF) STEM表徵LDE-MoS2納米帶

a. MoS2納米帶SHG強度圖。b. 雷射極化方向和MoS2納米帶扶手椅（armchair）方向之間的夾角。c. SHG強度和背散射雷射的極坐標圖。d. 方向為0°和180°MoS2的STEM表徵。e. d中相反方向的MoS2的電子衍射圖。f,g. annular dark-field (ADF) STEM照片。


● 圖3. 原子尺度表徵LDE-MoS2納米帶的生長機理


a. 在β-Ga2O3（100）襯底上生長的MoS2納米帶橫截面的HAADF-STEM圖像。b. 垂直於[010]方向拍攝的β-Ga2O3（100）襯底截面的HAADF-STEM圖像。c,d. 計算得到方向為0°和180°形核的原子模型。e. DFT計算得到的勢能面（PES）映射。


● 圖 4. 基於MoS2納米帶的場效應電晶體（FET）的光學和電學表徵

a. 兩個平行的MoS2納米帶的光致發光（PL）光譜映射圖。b. 在恆定尖端電壓下MoS2納米帶的拓撲圖和相應的電流映射圖。c. 在單晶h-BN上構建的MoS2-FET器件結構示意圖。d. FET器件的轉移特性曲線。


原文連結：https://www.nature.com/articles/s41563-020-0795-4

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