松山湖材料實(shí)驗(yàn)室輕元素材料團(tuán)隊(duì)在絕緣襯底上晶圓級(jí)二維單晶制備新機(jī)理研究方向取得進(jìn)展(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2021-12-24

2021年11月15日，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室/北京大學(xué)劉開(kāi)輝研究員、王恩哥院士團(tuán)隊(duì)與合作者，在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature Nanotechnology上發(fā)表了題為“Dual-coupling-guided epitaxial growth of wafer-scale single-crystal WS2 monolayer on vicinal a-plane sapphire”的研究論文，首次提出“雙耦合協(xié)同調(diào)控”的全新生長(zhǎng)機(jī)理，成功在藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)了2英寸單層單晶二硫化鎢（WS2）制備。

近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)硅基芯片制程不斷縮小以及集成度不斷提高，短溝道效應(yīng)和熱效應(yīng)日趨顯著，現(xiàn)有電子器件的運(yùn)行速度和性能已接近硅基材料極限。對(duì)新型材料及器件的研究探索是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵所在。二維材料種類豐富，涵蓋導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體、磁性材料等電子器件基本構(gòu)成單元，展現(xiàn)出超快響應(yīng)速度、高電子遷移率等優(yōu)異的物理特性和完備的電學(xué)功能；同時(shí)，其天然具備原子層極限厚度和平面結(jié)構(gòu)，與當(dāng)代微納加工工藝相兼容，在諸多候選材料中脫穎而出，有望帶來(lái)新一代量子材料變革性技術(shù)應(yīng)用。和硅基芯片依賴于晶圓級(jí)單晶硅錠制備相似，實(shí)現(xiàn)二維材料芯片級(jí)應(yīng)用必須基于大尺寸、高質(zhì)量的二維單晶制備。然而，由于難以消除非平行晶疇和缺陷晶界，如何在絕緣襯底上外延生長(zhǎng)出晶圓級(jí)二維過(guò)渡金屬硫族化物是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的關(guān)鍵難題。

與金屬襯底不同，絕緣襯底和二維材料之間的耦合作用非常弱；因此，在絕緣襯底上實(shí)現(xiàn)二維晶疇的取向控制異常困難。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)深入探索，提出二維材料與絕緣襯底面內(nèi)范德華耦合作用和臺(tái)階相互作用的“雙耦合協(xié)同調(diào)控”新機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了2英寸單層單晶WS2的外延制備。“雙耦合協(xié)同調(diào)控”機(jī)理的關(guān)鍵物理思想在于：WS2和藍(lán)寶石襯底間的范德華相互作用將WS2晶疇的優(yōu)勢(shì)取向限制為0°與180°；WS2和藍(lán)寶石臺(tái)階間的相互作用可以打破2個(gè)取向的能量簡(jiǎn)并性，從而使WS2晶疇只保留1個(gè)優(yōu)勢(shì)取向。課題組研究發(fā)現(xiàn)，這種“雙耦合協(xié)同調(diào)控”生長(zhǎng)機(jī)制也適用于其他二維單晶材料的制備，在a面藍(lán)寶石襯底上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單晶MoS2、WSe2和MoSe2的外延生長(zhǎng)。該成果將有望推動(dòng)二維過(guò)渡金屬硫族化物在電子器件、光電子器件以及谷電子學(xué)器件等方向的應(yīng)用。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃的大力支持。

“雙耦合協(xié)同調(diào)控”實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)單層單晶WS2生長(zhǎng)

文章來(lái)源：松山湖材料實(shí)驗(yàn)室輕元素先進(jìn)材料與器件團(tuán)隊(duì)