大面積范德瓦爾斯異質結陣列

何其遠，張華

1香港城市大學材料科學與工程系，香港

2香港城市大學化學系，香港

3香港城市大學，國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心，香港

范德瓦爾斯異質結陣列的可控、大面積制備及其相應結構和電學特性表征。

近年來，二維(2D)半導體材料在現代電子和光電子學中展示出巨大的潛在應用，迅速成為凝聚態物理、晶體生長等科學領域以及半導體工業界的研究熱點。與傳統的硅基和III-V半導體相比，2D材料因其無懸空鍵的表面結構，原子薄的厚度和免疫短溝道效應等特性而被視為后摩爾時代半導體材料的領跑者1-4。開發基于2D材料的晶體管和集成電路是延續摩爾定律并實現下一代高速，低功耗數字電子產品的關鍵之一。要實現2D材料在工業應用中的集成化和功能化，大規模的異質結陣列化是一種非常可行的方案。然而，迄今為止，大多數2D范德瓦爾斯異質結構(vdWH)都是通過微機械剝離和再堆疊來制備的5-7。然而這種方法無法有效地提高制備的產量。如何大幅提高2D vdWH的產量、實現異質結陣列化是二維材料走向電子、光電子工業實際應用亟需克服的重大挑戰。

湖南大學段曦東教授研究組和加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授研究組開發了激光燒蝕等技術在2D半導體過渡金屬硫族化合物(s-TMDs)基底上定點制造缺陷陣列，金屬TMDs (m-TMDs)在這些缺陷點由于成核能壘低，所以可以優先成核，最終成功實現了2D m-TMD/s-TMD垂直異質結陣列(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結陣列，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，他們在MoS2單層連續膜9上成功地制備了大規模VSe2/MoS2(圖d)垂直異質結陣列(＞ 12000個)，良率達～99%8。實現了二維m-TMD/s-TMD vdWH陣列的規模化制備。大量的結構表征證明制備的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構(圖e-k)。利用這種范德瓦爾斯接觸制備的雙層硒化鎢場效應晶體管開態電流高達900 μA·μm-1(圖m)，該數值在所有已報道的單層或者雙層TMDs室溫半導體器件中是最高的，為制備可與硅晶體管競爭的二維材料晶體管帶來了希望。測定的雙層WSe2溝道場效應晶體管陣列的半導體載流子遷移率可達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結能在原子級厚度的二維新型半導體上形成高質量的電接觸。

另外，該研究組通過改進傳統的熱化學氣相沉積方法，創造性地在生長條件穩定化的過程中引入冷的逆向氣流10，成功地解決了多步生長過程中二維超薄材料的熱穩定和可控成核問題，在國際上率先成功制備了多種單層異質結(如WS2-WSe2、WS2-MoSe2)、多異質結(如WS2-WSe2-MoS2、WS2-MoSe2-WSe2)和超晶格異質結(如WS2-WSe2-WS2-WSe2-WS2)。該雙向氣流生長策略還被應用到s-TMD單晶的制備中，成功實現了單層s-TMD(如WS2、WSe2)大單晶的快速生長11。

上述相關研究成果近期分別在Nature、Science、National Science Review期刊上在線發表8,10,11。復雜二維異質結構的可控、大規模制備為高性能新型器件的量產化提供了新的思路，為二維材料在電子學、光電子學領域的實際應用奠定了堅實的基礎。