Science：首创全新晶体制备方法

一、【科学背景】

多层菱形过渡金属二硫化物（TMD）单晶是下一代电子集成电路(ic)中超尺度晶体管和光子集成电路中超紧凑元件的材料。与单层和六边形(2H) TMDs相比，菱形(3R) TMDs具有增强的电流密度和更高的载流子迁移率，这使得它们非常适合于亚纳米节点晶体管通道。同时，3R-TMDs的层间堆叠方式同时具有面内反转和面外镜像对称性，从而实现了可切换的界面铁电性、节能体光伏效应和非线性光学干涉。但是一直以来，单晶3R -TMD的生产受到限制，因为TMD层在各种衬底(包括SiO₂/Si，蓝宝石，云母，玻璃，石英，SrTiO₃和Au)上的生长主要遵循表面外延过程。在这种生长机制下，新层生长在现有层的顶部，这本质上限制了层数或堆叠相的精确控制，因为层间相互作用非常弱。但随着层数的增加，衬底的表面接近效应迅速减弱。当TMD超过两层时，衬底表面能的影响几乎为零，较厚的层外延失效。更值得注意的是，3R相和2H相之间的最小能量差导致以2H相为主共存。因此，表面外延生长面临着大规模生长3R-TMD薄膜的重大挑战。

二、科学创新

为解决上述难题，最近，来自北京大学刘开辉教授，中国人民大学刘灿副教授和中科院物理研究所张广宇研究员团队报告了一种界面外延方法，用于几种组合物的生长，包括二硫化钼(MoS2)，二硒化钼，二硫化钨，二硒化钨，二硫化铌，二硒化铌和亚硒化钼。在单晶Ni衬底和生长层之间的界面上连续添加金属和硫。从而确保了连续的3R堆叠顺序，并将厚度控制在几层到15000层之间。这些薄膜的结构分布均匀、结晶度高，相纯度高。生长的3R-MoS₂在双层和三层的室温迁移率分别达到155和190平方厘米/伏特秒。在准相位匹配条件下，厚3R-MoS₂的光学差频产生的线性响应显著增强(比单层高5个数量级)。相关成果以“Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition-metal dichalcogenide single crystals”为题发表在国际顶级期刊Science上。

图1 3R-TMDs表面和界面外延示意图© 2024 AAAS

图2 3R-MoS₂多层单晶的表征：(A) 3R-MoS₂单晶在2英寸(~5厘米)SiO₂/Si晶片上的照片；(B)生长3R-MoS₂单晶的光学图像；(C)外延MoS₂单晶层数随生长时间的演变；(D) 3R-MoS₂薄膜的XRD 2q(上图)和ϕ扫描(下图)证实了MoS₂无面内旋转的单晶性质；(E) 3R-MoS₂薄膜的EBSD IPF-Y和IPF-Z图；(F)在9个不同位置扫描2cm × 2cm样品的LEED图案；电子束尺寸为~ 1mm (G和H) 3R-MoS₂薄膜的SHG偏振图(G)和SHG映射图(H)；(I)层数在40左右的3R-MoS₂薄膜的SAED图；(J) 3R-MoS₂薄膜沿橙色虚线框(左图)的强度分布图(右图)HAADF-STEM图像 © 2024 AAAS

图3 3R-TMDs及其合金单晶的通用外延；(A ~ C) 3R-MoSe₂单晶的光学图像(A)、HAADF-STEM图像(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)单晶的SAED图；(I) 3R-TMD及其合金单晶的XRD 2q扫描谱图 © 2024 AAAS

图4 3R-MoS₂场效应管的基准测量；(A)MoS₂场效应管原理图；(B)三层3R-MoS₂场效应管输出特性曲线；；(C) Vds = 1 v时单层、双层和三层MoS₂ FET典型转移特性曲线的比较(D至F)分别基于单层(D)、双层(E)和三层(F)的MoS₂ FET迁移率分布；(G)背控三层3R-MoS₂ FET阵列的伪彩色扫描电镜(SEM)图像和内化图像(插图)；(H) 100个三层3R-MoS₂场效应管的转移特性；(1)流动性和开/关比与以往工作报道结果的比较 © 2024 AAAS

图5 3R-MoS₂单晶的DFG测量；(A) DFG实验装置示意图； (B) 3R-MoS₂的DFG过程示意图；(C)转移到熔融二氧化硅上的厚3R-MoS2晶体在DFG过程中测量的光谱；(D和E)空转强度与泵(D)和信号(E)功率的线性关系；(F)在不考虑多次光反射的情况下，DFG过程的相位失配曲线作为3R-MoS₂厚度的函数计算；(G)计算出的3R-MoS₂在泵浦(绿线)和信号(橙线)光下随厚度的透过率；(H)与单层相比，3R-MoS₂厚度相关的闲散增强；(1) 3R-MoS₂的三个扭曲块的准相位匹配 © 2024 AAAS

三、【科学启迪】

本文提出的界面外延策略，实现了晶圆级、厚度可控的3R-TMD单晶的普遍生长。提高了FET阵列的性能，包括高再现性和高迁移率，超过了IRDS设定的迁移率基准。还实现了基于厚3R-TMD DFG工艺的近红外波长转换和显著的非线性光学增强。这些3R-TMD单晶将为二维晶体管和非线性光学器件的片上集成建立一个通用的材料平台。这些优势将使3R-TMD成为后摩尔定律纳米电子学、非易失性存储器、神经形态计算、太阳能收集、片上非线性光学器件和量子光源等领域的前沿技术。

论文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6038

本文由虚谷纳物供稿