松山湖材料實驗室輕元素材料團隊在絕緣襯底上晶圓級二維單晶制備新機理研究方向取得進展(圖文)

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

2021年11月15日，松山湖材料實驗室/北京大學(xué)劉開輝研究員、王恩哥院士團隊與合作者，在頂級學(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”的全新生長機理，成功在藍寶石襯底上實現(xiàn)了2英寸單層單晶二硫化鎢（WS2）制備。

近年來，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)有電子器件的運行速度和性能已接近硅基材料極限。對新型材料及器件的研究探索是解決上述問題的關(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，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單晶硅錠制備相似，實現(xiàn)二維材料芯片級應(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出晶圓級二維過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，在絕緣襯底上實現(xiàn)二維晶疇的取向控制異常困難。研究團隊經(jīng)過深入探索，提出二維材料與絕緣襯底面內(nèi)范德華耦合作用和臺階相互作用的“雙耦合協(xié)同調(diào)控”新機理，實現(xiàn)了2英寸單層單晶WS2的外延制備。“雙耦合協(xié)同調(diào)控”機理的關(guān)鍵物理思想在于：WS2和藍寶石襯底間的范德華相互作用將WS2晶疇的優(yōu)勢取向限制為0°與180°；WS2和藍寶石臺階間的相互作用可以打破2個取向的能量簡并性，從而使WS2晶疇只保留1個優(yōu)勢取向。課題組研究發(fā)現(xiàn)，這種“雙耦合協(xié)同調(diào)控”生長機制也適用于其他二維單晶材料的制備，在a面藍寶石襯底上同時實現(xiàn)了單晶MoS2、WSe2和MoSe2的外延生長。該成果將有望推動二維過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家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃的大力支持。

“雙耦合協(xié)同調(diào)控”實現(xiàn)晶圓級單層單晶WS2生長

文章來源：松山湖材料實驗室輕元素先進材料與器件團隊