新技術助力二維過渡金屬硫族化學物“布陣”
研究者首次制備二維過渡金屬硫族化合物橫向異質結構陣列
半導體外延異質結是現代電子學和光電子學的基礎。記者5月7日從湖南大學獲悉，該校段曦東教授課題組報告了一種激光加工聯合精準外延的系統性制造策略，制備了二維（2D）過渡金屬硫族化學物（TMDs）橫向異質結陣列。該研究是關于合成二維面內異質結陣列的首次公開報道，突破了二維面內異質集成的瓶頸，有望推動二維集成電路的發展。
近日，上述成果發表在《自然—納米技術》（Nature Nanotechnology）上，段曦東為通訊作者。
2D-TMDs由于其超薄的晶體結構、優異的電子學特性、表面無懸掛鍵且易于集成，成為下一代半導體的重要候選材料。它的種類很多，在異質結構建中具有高度的靈活性，能夠實現豐富的異質結，為未來電子學發展提供全新可能。
然而，目前2D-TMDs材料的面內異質結陣列結構難以實現，而這是應用到器件并實現集成化電路的材料基礎。其原因在于2D-TMDs原子晶體圖案化加工與當前的傳統工藝不兼容，傳統工藝難以實現原子級潔凈界面，使得原子級面內外延難以實現；同時高精準外延控制一直是2D-MDs高效合成的瓶頸。因此，發展全新圖案加工手段并實現系統的新外延策略對制備陣列化面內異質結非常重要。
段曦東教授課題組通過發展二維原子晶體圖案激光加工技術，有力避免了傳統光刻和等離子刻蝕加工工藝中的界面吸附問題、有機物殘留問題。該策略展現了高度穩定性和陣列圖案、大小等結構參數的可調性。
具體而言，TMDs材料在經使用傳統方式的圖案化加工步驟后，會在界面處出現雜質基團吸附等污染；采用氧等離子等傳統刻蝕技術，也難以實現原子級精度的材料邊緣，這對原子級的外延生長是極為不利的。為了消除傳統技術的不利影響，研究人員通過發展全新的激光加工技術與熱刻蝕技術，實現了二維原子晶體圖案化，并且圖案邊緣待外延界面實現了原子級潔凈。研究人員結合課題組早先發展起來的雙向氣流外延合成等技術，從空間和時間上控制化學氣相沉積爐中的氣氛場和溫度場，實現另一種TMDs材料在原二維原子晶體的高度清潔的邊緣精準橫向成核與外延，形成2D-TMD橫向異質結陣列。通過精確控制激光加工位點、熱刻蝕溫度和時間，2D TMDs橫向異質陣列的形態與組合圖案可以得到完美控制。
研究者們還通過高分辨球差透射電子顯微鏡展示異質結陣列具有高清的原子級尖銳的異質界面；利用光致發光光譜展示了異質結陣列受晶格失配和陣列幾何圖案控制的位于異質結界線附近的應力調制。
據介紹，該研究為2D -MDs橫向異質陣列制造方法提供了全新的思路，并為原子級薄的復雜二維異質結構、超薄器件與二維集成電子電路提供了一個嶄新的材料研究平臺；為研究異質結構性能、調控和其它各種應用打下了堅實的 基礎。《自然-納米技術》專門在news&views欄目撰文報道該成果，并作出“這項研究為二維材料的精密制造提供了全新途徑，并將推進二維材料在集成電路中的應用”的評價。
“該研究中的精確控制合成令人印象深刻，該課題有可能是二維材料領域的一個非常重要的進展。”該論文的審稿人表示，“研究中潔凈邊緣的精確制造令人印象深刻，這是精確結構設計成功的關鍵。該技術將有可能用于未來納米電子學的工藝制造。”
該研究得到了國家自然科學基金、湖南省創新研究群體項目和國家雙一流經費等項目的資助，主要合作者還包括加州大學洛杉磯分校、湖南大學、中國科學技術大學的研究者。
