何其遠(yuǎn)，張華

1香港城市大學(xué)材料科學(xué)與工程系，香港

2香港城市大學(xué)化學(xué)系，香港

3香港城市大學(xué)，國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心，香港

范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)陣列的可控、大面積制備及其相應(yīng)結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性表征。

近年來(lái)，二維(2D)半導(dǎo)體材料在現(xiàn)代電子和光電子學(xué)中展示出巨大的潛在應(yīng)用，迅速成為凝聚態(tài)物理、晶體生長(zhǎng)等科學(xué)領(lǐng)域以及半導(dǎo)體工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的硅基和III-V半導(dǎo)體相比，2D材料因其無(wú)懸空鍵的表面結(jié)構(gòu)，原子薄的厚度和免疫短溝道效應(yīng)等特性而被視為后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體材料的領(lǐng)跑者1-4。開(kāi)發(fā)基于2D材料的晶體管和集成電路是延續(xù)摩爾定律并實(shí)現(xiàn)下一代高速，低功耗數(shù)字電子產(chǎn)品的關(guān)鍵之一。要實(shí)現(xiàn)2D材料在工業(yè)應(yīng)用中的集成化和功能化，大規(guī)模的異質(zhì)結(jié)陣列化是一種非?？尚械姆桨?。然而，迄今為止，大多數(shù)2D范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)(vdWH)都是通過(guò)微機(jī)械剝離和再堆疊來(lái)制備的5-7。然而這種方法無(wú)法有效地提高制備的產(chǎn)量。如何大幅提高2D vdWH的產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)陣列化是二維材料走向電子、光電子工業(yè)實(shí)際應(yīng)用亟需克服的重大挑戰(zhàn)。

湖南大學(xué)段曦東教授研究組和加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授研究組開(kāi)發(fā)了激光燒蝕等技術(shù)在2D半導(dǎo)體過(guò)渡金屬硫族化合物(s-TMDs)基底上定點(diǎn)制造缺陷陣列，金屬TMDs (m-TMDs)在這些缺陷點(diǎn)由于成核能壘低，所以可以?xún)?yōu)先成核，最終成功實(shí)現(xiàn)了2D m-TMD/s-TMD垂直異質(zhì)結(jié)陣列(圖a-c)8。由于這種策略具有普適性，他們成功地合成了一系列異質(zhì)結(jié)陣列，包括VSe2/WSe2、NiTe2/WSe2、CoTe2/WSe2、NbTe2/WSe2、VS2/WSe2、VSe2/MoS2和VSe2/WS2。

特別值得一提的是，他們?cè)贛oS2單層連續(xù)膜9上成功地制備了大規(guī)模VSe2/MoS2(圖d)垂直異質(zhì)結(jié)陣列(＞ 12000個(gè))，良率達(dá)～99%8。實(shí)現(xiàn)了二維m-TMD/s-TMD vdWH陣列的規(guī)模化制備。大量的結(jié)構(gòu)表征證明制備的vdWH具有原子清晰度、接近理想的界面和輪廓分明的摩爾超晶格結(jié)構(gòu)(圖e-k)。利用這種范德瓦爾斯接觸制備的雙層硒化鎢場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)態(tài)電流高達(dá)900 μA·μm-1(圖m)，該數(shù)值在所有已報(bào)道的單層或者雙層TMDs室溫半導(dǎo)體器件中是最高的，為制備可與硅晶體管競(jìng)爭(zhēng)的二維材料晶體管帶來(lái)了希望。測(cè)定的雙層WSe2溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列的半導(dǎo)體載流子遷移率可達(dá)137 cm2·V-1·s-1，而且分布很窄。這清楚地表明了他們制備的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)能在原子級(jí)厚度的二維新型半導(dǎo)體上形成高質(zhì)量的電接觸。

另外，該研究組通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的熱化學(xué)氣相沉積方法，創(chuàng)造性地在生長(zhǎng)條件穩(wěn)定化的過(guò)程中引入冷的逆向氣流10，成功地解決了多步生長(zhǎng)過(guò)程中二維超薄材料的熱穩(wěn)定和可控成核問(wèn)題，在國(guó)際上率先成功制備了多種單層異質(zhì)結(jié)(如WS2-WSe2、WS2-MoSe2)、多異質(zhì)結(jié)(如WS2-WSe2-MoS2、WS2-MoSe2-WSe2)和超晶格異質(zhì)結(jié)(如WS2-WSe2-WS2-WSe2-WS2)。該雙向氣流生長(zhǎng)策略還被應(yīng)用到s-TMD單晶的制備中，成功實(shí)現(xiàn)了單層s-TMD(如WS2、WSe2)大單晶的快速生長(zhǎng)11。

上述相關(guān)研究成果近期分別在Nature、Science、National Science Review期刊上在線發(fā)表8,10,11。復(fù)雜二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控、大規(guī)模制備為高性能新型器件的量產(chǎn)化提供了新的思路，為二維材料在電子學(xué)、光電子學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。