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基板缺陷是2D材料生长的关键

2019-11-07 15:42:00

尽管付出了巨大的努力,创建足以用于电子产品的二维材料仍是一项挑战,但现在,宾夕法尼亚州立大学的研究人员已经发现了一种提高一类二维​​材料质量的方法,并有可能在未来实现晶圆级增长。

自Konstantin Novoselov和Andre Geim使用简单的胶带从大块石墨烯中拉出单个原子碳原子层以来,具有不寻常特性的2D材料领域已经爆发了15年。虽然已经对这些石墨烯的小碎片进行了大量的科学研究,但工业规模的层很难生长。

在为下一代电子产品设想的材料中,一组称为过渡金属二硫化物的半导体处于最前沿。TMD只有几个原子厚但在发光方面非常有效,这使它们成为光电子学的候选者,如发光二极管,光电探测器或单光子发射器。

“我们的最终目标是制造单层的二硒化钨薄膜或二硫化钼薄膜,并使用化学气相沉积方式沉积它们,使得我们在整个晶圆上获得完美的单晶层,”材料教授Joan Redwing说道。科学与电子学,宾夕法尼亚州立大学2D水晶联盟主任,国家科学基金会材料创新平台。

问题来自于原子在沉积在标准基板(如蓝宝石)上时自我组织的方式。由于TMD的晶体结构,当它们开始在基板上扩散时,它们形成三角形。三角形可以以相反的方向定向,具有相同的概率。当它们碰撞并相互融合以形成连续的片材时,它们形成的边界就像一个大的缺陷,大大降低了晶体的电子和光学性质。

“当电荷或空穴等电荷载体遇到这种被称为反转域边界的缺陷时,它们会分散,”Redwing说。“这是TMD增长的典型问题。”

最近出版的期刊ACS Nano和Physical Review B.宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系,物理学,化学系和工程科学与力学系的研究人员表示,如果TMD生长在六角形氮化硼表面上,85%或更多将指向同一方向。物理学,材料科学与工程与化学的着名教授Vin Crespi和他的小组进行了模拟,以解释为什么会发生这种情况。他们发现,缺少硼或氮原子的六方氮化硼表面的空位可以捕获金属原子 - 钨或钼 - 并用于使三角形沿优选方向取向。与在蓝宝石上生长的2D TMD相比,改进的材料显示出增加的光致发光发射和一个数量级更高的电子迁移率。

“我们的下一步是开发一种在晶圆级上生长六方氮化硼的工艺,”Redwing说。“这就是我们现在所做的工作。难以控制缺陷并在大面积上生长单晶层。许多团体正致力于此。”

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