Science：首創全新晶體制備方法

一、【科學背景】

多層菱形過渡金屬二硫化物（TMD）單晶是下一代電子集成電路(ic)中超尺度晶體管和光子集成電路中超緊湊元件的材料。與單層和六邊形(2H) TMDs相比，菱形(3R) TMDs具有增強的電流密度和更高的載流子遷移率，這使得它們非常適合于亞納米節點晶體管通道。同時，3R-TMDs的層間堆疊方式同時具有面內反轉和面外鏡像對稱性，從而實現了可切換的界面鐵電性、節能體光伏效應和非線性光學干涉。但是一直以來，單晶3R -TMD的生產受到限制，因為TMD層在各種襯底(包括SiO₂/Si，藍寶石，云母，玻璃，石英，SrTiO₃和Au)上的生長主要遵循表面外延過程。在這種生長機制下，新層生長在現有層的頂部，這本質上限制了層數或堆疊相的精確控制，因為層間相互作用非常弱。但隨著層數的增加，襯底的表面接近效應迅速減弱。當TMD超過兩層時，襯底表面能的影響幾乎為零，較厚的層外延失效。更值得注意的是，3R相和2H相之間的最小能量差導致以2H相為主共存。因此，表面外延生長面臨著大規模生長3R-TMD薄膜的重大挑戰。

二、科學創新

為解決上述難題，最近，來自北京大學劉開輝教授，中國人民大學劉燦副教授和中科院物理研究所張廣宇研究員團隊報告了一種界面外延方法，用于幾種組合物的生長，包括二硫化鉬(MoS2)，二硒化鉬，二硫化鎢，二硒化鎢，二硫化鈮，二硒化鈮和亞硒化鉬。在單晶Ni襯底和生長層之間的界面上連續添加金屬和硫。從而確保了連續的3R堆疊順序，并將厚度控制在幾層到15000層之間。這些薄膜的結構分布均勻、結晶度高，相純度高。生長的3R-MoS₂在雙層和三層的室溫遷移率分別達到155和190平方厘米/伏特秒。在準相位匹配條件下，厚3R-MoS₂的光學差頻產生的線性響應顯著增強(比單層高5個數量級)。相關成果以“Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition-metal dichalcogenide single crystals”為題發表在國際頂級期刊Science上。

圖1 3R-TMDs表面和界面外延示意圖? 2024 AAAS

圖2 3R-MoS₂多層單晶的表征：(A) 3R-MoS₂單晶在2英寸(~5厘米)SiO₂/Si晶片上的照片；(B)生長3R-MoS₂單晶的光學圖像；(C)外延MoS₂單晶層數隨生長時間的演變；(D) 3R-MoS₂薄膜的XRD 2q(上圖)和?掃描(下圖)證實了MoS₂無面內旋轉的單晶性質；(E) 3R-MoS₂薄膜的EBSD IPF-Y和IPF-Z圖；(F)在9個不同位置掃描2cm × 2cm樣品的LEED圖案；電子束尺寸為~ 1mm (G和H) 3R-MoS₂薄膜的SHG偏振圖(G)和SHG映射圖(H)；(I)層數在40左右的3R-MoS₂薄膜的SAED圖；(J) 3R-MoS₂薄膜沿橙色虛線框(左圖)的強度分布圖(右圖)HAADF-STEM圖像 ? 2024 AAAS

圖3 3R-TMDs及其合金單晶的通用外延；(A ~ C) 3R-MoSe₂單晶的光學圖像(A)、HAADF-STEM圖像(B)和SAED模式(C)；(D至H) 3R-WS₂ (D)、3R-WSe₂ (E)、3R-NbS₂ (F)、3R-NbSe₂ (G)和3R-MoS_2(1-x)Se_2x (H)單晶的SAED圖；(I) 3R-TMD及其合金單晶的XRD 2q掃描譜圖 ? 2024 AAAS

圖4 3R-MoS₂場效應管的基準測量；(A)MoS₂場效應管原理圖；(B)三層3R-MoS₂場效應管輸出特性曲線；；(C) Vds = 1 v時單層、雙層和三層MoS₂ FET典型轉移特性曲線的比較(D至F)分別基于單層(D)、雙層(E)和三層(F)的MoS₂ FET遷移率分布；(G)背控三層3R-MoS₂ FET陣列的偽彩色掃描電鏡(SEM)圖像和內化圖像(插圖)；(H) 100個三層3R-MoS₂場效應管的轉移特性；(1)流動性和開/關比與以往工作報道結果的比較 ? 2024 AAAS

圖5 3R-MoS₂單晶的DFG測量；(A) DFG實驗裝置示意圖； (B) 3R-MoS₂的DFG過程示意圖；(C)轉移到熔融二氧化硅上的厚3R-MoS2晶體在DFG過程中測量的光譜；(D和E)空轉強度與泵(D)和信號(E)功率的線性關系；(F)在不考慮多次光反射的情況下，DFG過程的相位失配曲線作為3R-MoS₂厚度的函數計算；(G)計算出的3R-MoS₂在泵浦(綠線)和信號(橙線)光下隨厚度的透過率；(H)與單層相比，3R-MoS₂厚度相關的閑散增強；(1) 3R-MoS₂的三個扭曲塊的準相位匹配 ? 2024 AAAS

三、【科學啟迪】

本文提出的界面外延策略，實現了晶圓級、厚度可控的3R-TMD單晶的普遍生長。提高了FET陣列的性能，包括高再現性和高遷移率，超過了IRDS設定的遷移率基準。還實現了基于厚3R-TMD DFG工藝的近紅外波長轉換和顯著的非線性光學增強。這些3R-TMD單晶將為二維晶體管和非線性光學器件的片上集成建立一個通用的材料平臺。這些優勢將使3R-TMD成為后摩爾定律納米電子學、非易失性存儲器、神經形態計算、太陽能收集、片上非線性光學器件和量子光源等領域的前沿技術。

論文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6038

本文由虛谷納物供稿