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《我国研究出分米级单晶薄膜制备新方法 奠定二维器件规模化应用基础》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2019-07-09

  • 为开辟硅基电子器件之外的新途径，基于量子材料的新器件研究成为前沿热点。作为量子材料的重要分支，二维量子材料厚度只有原子级且量子效应显著，大面积、高质量的二维单晶制备是实现二维器件规模化应用的核心关键，然而晶格的非中心反演对称性给二维单晶生长带来了极大挑战。

    在量子调控与量子信息重点专项资助下，北京大学刘开辉课题组与合作者设计出一种具有特殊台阶方向的非中心反演对称性的单晶晶面Cu（110）/<211>,利用其台阶边缘与六方氮化硼晶畴中硼型和氮型锯齿形边界耦合强度的能量差打破晶畴在衬底表面取向的对称性，从而实现对六方氮化硼晶畴单一取向的控制生长，并无缝拼接为分米级单晶薄膜。研究还结合原位生长技术与理论计算对生长过程进行了深入动力学研究，提出了全新的生长机理。该研究工作提供了一种制备二维单晶的普适方法，为二维器件规模化应用奠定了基础。

  • 原文来源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=512759
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相关报告

  • 《我国实现米级单晶石墨烯的制备》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：姜山
    • 发布时间：2017-11-23
    • 石墨烯是典型的二维轻元素量子材料体系，具有优越的量子特性。科学界在石墨烯体系中观察到了许多量子现象和量子效应，石墨烯已经成为凝聚态物理研究领域的重要量子体系，在未来量子信息、量子计算和量子通讯等领域具有广泛的应用前景。如何获得大尺寸单晶石墨烯是石墨烯研究领域的热点和难点，是实现石墨烯工业化应用的基础。虽然利用化学气相沉积方法（CVD）方法已经实现了米级多晶石墨烯薄膜的制备，但是米级单晶石墨烯薄膜技术还未被突破。 最近，在量子调控与量子信息重点专项项目的支持下，北京大学刘开辉研究员、俞大鹏院士、王恩哥院士及其合作者，继2016年首次实现石墨烯单晶的超快生长之后，在米级单晶石墨烯的生长方面再次取得重要进展。研究团队将工业多晶铜箔转化成了单晶铜箔，得到了世界上目前最大尺寸的单晶Cu（111）箔，利用外延生长技术和超快生长技术成功在20分钟内制备出世界最大尺寸（5×50 cm2）的外延单晶石墨烯材料。该研究结果为快速生长米级单晶石墨烯提供了必要的科学依据，为石墨烯单晶量子科技的产业化应用奠定基础。 该研究成果于2017年8月在《科学通报》（Science Bulletin）发表，并被选为封面文章。中国科学院沈阳金属研究所成会明院士同期在Science Bulletin发表重点推荐评论文章。 .
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  • 《北京大学提出制备大面积二维半导体碲化钼(MoTe2)薄膜新方法 》
    • 来源专题：后摩尔
    • 编译者：shenxiang
    • 发布时间：2021-04-13
    • 二维层状半导体材料具有几个原子层厚度，同时能够保持较高载流子迁移率，是抑制短沟道效应、进一步缩小晶体管尺寸的重要备选材料。然而，目前制备大面积二维半导体薄膜的方法大多采用不同成核点成核、晶畴生长拼接而成。这种方法会在晶畴之间形成晶界，而且不能保证半导体薄膜100%的覆盖率，从而限制了基于这类薄膜制备的器件的性能和均一性。基于大面积集成电路对于半导体器件性能以及均一性的要求，在器件基底上直接制备晶圆尺寸连续二维半导体单晶材料是产业界、科研界亟待解决的科学和技术问题。 为此， 北京大学叶堉研究员课题组 提出了一种利用相变和重结晶过程制备晶圆尺寸单晶半导体相碲化钼（MoTe2 ）薄膜的新方法。过渡金属硫属化合物是二维材料中非常重要的一类。MoTe2由于其金属相（1T&apos）与半导体相（2H）之间的自由能差异非常小，为在MoTe2中实现两个相之间的可控相变提供了基础。实验中，他们首先通过碲化磁控溅射钼膜的方法得到含有碲空位的晶圆尺寸多晶1T&apos相MoTe2薄膜。然后，通过定向转移技术将机械剥离的单晶MoTe2纳米片作为诱导相变的籽晶转移到1T&apos-MoTe2晶圆的正中央，通过原子层沉积的致密氧化铝薄膜隔绝1T&apos相MoTe2薄膜与环境中的Te原子接触抑制其他成核。之后在种子区域内打孔，使种子区域成为Te原子补给并维系1T&apos到2H相变的唯一通道，通过面内二维外延实现了单一成核相变生长的单晶薄膜（图1）。实验中发现，籽晶首先通过1T&apos/2H的垂直界面诱导了种子底部1T&apos相MoTe2的相变，进而形成了面内的1T&apos/2H的异质结继续诱导相变的发生。整个相变过程伴随着以异质界面处2H相MoTe2为模板的重结晶过程，使得相变后的整个薄膜的晶格结构和晶格取向与籽晶完全一致，最终得到晶圆尺寸的单晶MoTe2薄膜。该制备方法通过原子的扩散和重排过程实现，无需以衬底为模板，因此可以在非晶的SiO2衬底上进行，为后续的器件制备提供了基础。 图1a 晶圆尺寸单晶MoTe2薄膜的制备过程示意图。 b 制备的MoTe2薄膜的光学照片。 c 种子区域的STEM表征。 将得到的晶圆尺寸单晶MoTe2作为模板，通过再次蒸镀钼膜以及再次碲化的方法，可以在垂直方向上实现对该晶圆的快速外延，制备二维半导体的块材单晶晶圆。结合晶圆尺寸的二维层状材料的剥离转移技术，有望实现晶圆尺寸单晶单层MoTe2半导体的批量制备。 以该薄膜为沟道材料，结合课题组之前发展的MoTe2相变工程方法制备的大面积1T&apos/2H/1T&apos相面内异质结场效应晶体管阵列，器件体现出100%的良率，并具有很好的电学性能，且其电学性能表现出很好的均一性。 该工作以“Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe2”为题，于2021年4月9日在线发表于学术期刊《科学》（Science）上。 论文原文链接： https://science.sciencemag.org/content/372/6538/195.full
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