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湖南大學(xué)等在《Nature》發(fā)表文章。

近日，湖南大學(xué)段曦東和美國加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒作為共同通訊作者，合作報(bào)道了一種可利用金屬性過渡金屬硫化物和半導(dǎo)體性過渡金屬硫化物制備二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的通用合成方法，相關(guān)研究成果以題為“General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays”的文章在線發(fā)表在《Nature》上。湖南大學(xué)二維材料湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段曦東課題組的博士生李佳、楊向東，加州大學(xué)洛杉磯分校博士生劉旸，香港理工大學(xué)生物科技應(yīng)用系的黃勃龍教授是論文的共同第一作者。

生長過程示意圖。

VSe2/WSe2范德瓦爾斯異質(zhì)陣列的表征。

二維材料的應(yīng)用前景非常廣闊，二維原子晶體由于超薄、免疫短溝道效應(yīng)等特性成為后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體材料的領(lǐng)跑者，發(fā)展機(jī)遇二維材料的晶體管和集成電路可能是我國解決“芯片”領(lǐng)域“卡脖子”問題，實(shí)現(xiàn)我國“芯片”領(lǐng)域彎道超車的一個(gè)關(guān)鍵契機(jī)。然而二維原子晶體面向電子、光電子實(shí)際應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)器件的功能化和集成化，面臨一個(gè)高效、無損、可規(guī)?；牧霞傻奶魬?zhàn)。要實(shí)現(xiàn)二原子晶體在工業(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?。然而如何大幅提高二維原子晶體范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)陣列化一直是阻礙其發(fā)展的主要困難之一。目前，制備二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要方法依然是微機(jī)械剝離，這是一種無法有效提高產(chǎn)量的合成手段，更加難以實(shí)現(xiàn)面向集成電路的陣列化。

該研究成果開發(fā)了用激光燒蝕等技術(shù)在二維半導(dǎo)體原子晶體基底上定點(diǎn)制造缺陷陣列，金屬納米片在這些缺陷點(diǎn)成核能壘低，優(yōu)先成核?？刂瞥〗饘俚纳L條件，最終形成可控的超薄材料/原子級(jí)厚度半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)陣列。這種策略適用于各種不同材料，不限于特定化學(xué)組成或晶格結(jié)構(gòu)。作為演示，研究人員利用原子精確的，接近理想的范德華界面制造出各種二維范德華異質(zhì)結(jié)，包括VSe2/WSe2，NiTe2 / WSe2，CoTe2/ WSe2，NbTe2 / WSe2，VS2 / WSe2，VSe2/ MoS2和VSe2 / WS2。生長在二維半導(dǎo)體上的二維金屬性過渡金屬硫化物均具有可設(shè)計(jì)的周期性排列特點(diǎn)和可在指定區(qū)域進(jìn)行調(diào)控的橫向尺寸，最終可以晶體管的溝道尺寸和調(diào)節(jié)電路的形態(tài)。

VSe2在圖案化WSe2上的成核生長機(jī)制。

VSe2/WSe2范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子顯微學(xué)表征。

二維半導(dǎo)體有著超薄、對(duì)環(huán)境高度敏感的特性。因此在用傳統(tǒng)熱蒸發(fā)方式制備器件中的金屬電極時(shí)容易損壞原子級(jí)薄的半導(dǎo)體溝道材料。研究人員用二維金屬材料作為電極材料，用氣相沉積合成二維金屬納米片/二維半導(dǎo)體垂直異質(zhì)結(jié)陣列，獲得良好的范德華電極-半導(dǎo)體界面。大量的原子結(jié)構(gòu)表征表明合成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)具有原子清晰、接近理想的范德瓦爾斯界面，輪廓分明的摩爾超晶格結(jié)構(gòu)和廣泛可調(diào)的摩爾超晶格周期尺寸。利用這種范德華接觸制備的雙層硒化鎢場效應(yīng)晶體管在溝道長度為1.8 μm時(shí)，開態(tài)電流高達(dá)900 μA/μm，這是在所有的已報(bào)道的單層或者雙層過渡金屬二硫族化合物室溫半導(dǎo)體器件中是最大的，為制備可與硅晶體管競爭的二維材料晶體管帶來了希望。測定得到雙層WSe2溝道場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體載流子遷移率達(dá)到137 cm2V?1s?1，而且分布很窄。這清楚地表明制備的范德華異質(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。同時(shí)研究人員在連續(xù)MoS2單層膜上制備了大規(guī)模VSe2/MoS2垂直異質(zhì)結(jié)陣列（＞12,000個(gè)），良率達(dá)~99%。實(shí)現(xiàn)了二維范德華金屬/半導(dǎo)體垂直異質(zhì)結(jié)陣列的規(guī)?；?。研究成果為高性能新型器件的量產(chǎn)化提供了新的思路，為二維材料的發(fā)展，特別是在電子學(xué)、光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

此外，用二維材料構(gòu)建傳統(tǒng)材料所不能夠的莫里超晶格對(duì)于探索一些基本的物理性質(zhì)，包括電子學(xué)的、光電子學(xué)的、自旋電子學(xué)的及超導(dǎo)等性質(zhì)非常重要。而目前的莫里超晶格的構(gòu)鍵主要依賴于機(jī)械堆疊法，不僅產(chǎn)率低，而且極難控制。該工作提高了規(guī)模制備各種二維垂直異質(zhì)結(jié)陣列的能力，可以構(gòu)建各種可調(diào)的莫里晶格，為一些基本物理的探索和新型特殊功能的器件構(gòu)建提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

CoTe2/WSe2 以及 NiTe2/WSe2的表征。

VSe2/WSe2范德瓦爾斯異質(zhì)陣列的電學(xué)表征。

制備的大規(guī)模范德華異質(zhì)結(jié)陣列。

文獻(xiàn)鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2098-y General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays（Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2098-y）

課題組照片。