二维材料的宏观制备
自 2004年石墨烯被首次从石墨中解理出来以来, 二维材料的研究已经走过了 18个年头. 在这近二十年的时间里, 二维材料已经发展成为一个庞大的家族; 这些二维材料展现出丰富多样的性质,涵盖了凝聚态物理研究的各个主要方向. 更为重要的是, 二维材料研究开辟了一个材料物理研究的新范式: 把一个层状的晶体块材减薄到单层或少层, 所得到的二维材料往往会展现出与块材母体完全不一样的特性. 新的物理也随之涌现, 例如石墨烯中的狄拉克费米子物理以及单层二维过渡金属硫族化合物中的谷自旋物理. 更进一步, 这些二维材料原则上可以像魔角双层石墨烯一样, 通过堆叠形成异质结, 成为发现新效应、新物理的另一个源泉. Mounet等人的计算表明, 迄今实验上制备出的二维材料只是冰山的一角, 理论上可以解理到单层的二维材料可能有上千种. 二维材料及其异质结构的研究因此蕴含着巨大的原创性发现的机会.
在所有这些二维材料中, 原子在层内都是通过共价键和离子键等强化学键结合在一起, 同时面外的化学键呈饱和状态, 层与层之间仅以弱范德华力相结合. 这个结构上的共性保证了二维材料即使在单层极限下也可以保有其结构的完整性和化学的稳定性. “界面即器件”, 二维材料本身就是一个界面, 基于二维材料的半导体器件电场对沟道的调控更彻底, 从而抑制纳米尺度下半导体器件中的短沟道效应. 在器件尺寸已经微缩到纳米量级的后摩尔时代, 以过渡金属硫族化合物、黑磷为代表的二维材料在极限厚度下表现出优异的半导体特性, 作为未来半导体器件沟道的候选材料受到广泛关注. 与此同时, 二维材料单层极限下的化学稳定性也使得更多样的调控手段成为可能. 比如, 近年来日益受到重视的门电极离子调控可以在 1014cm–2的水平调控二维材料的电荷掺杂, 从而把门电极调控的概念推广到磁性、强关联乃至高温超导材料. 基于这些新型调控方法的二维器件将有可能发展为新的器件原型.
从二维材料到器件再到应用, 这个链条上不可或缺的一环是二维材料的宏观制备——只有在宏观尺度下实现高质量二维材料的可控制备, 我们以上讨论的二维材料的种种优势才有可能转化为实际的应用. 正因如此, 二维材料的宏观制备一直是二维材料研究的一个热点和前沿, 近年来取得了一个又一个的突破. 这些突破有许多要归功于海内外的华人物理、材料学家. 他们活跃在这个前沿,做出了突出的成绩.
受《物理学报》编辑部委托, 我邀请了几位活跃在二维材料宏观制备研究前沿的中青年学者,为中文读者回顾总结领域里近年来的部分进展. 其中既包括对多种二维材料自下而上的生长研究,也包括从块材出发自上而下的大面积解理探索. 组稿期间恰逢新冠疫情肆虐, 作者们在非常困难的情形之中完成稿件, 如约赐稿, 殊为不易. 受水平及时间所限, 本专题对二维材料宏观制备领域的介绍难免挂一漏万, 不足之处恳请各位同仁不吝指正.
在所有这些二维材料中, 原子在层内都是通过共价键和离子键等强化学键结合在一起, 同时面外的化学键呈饱和状态, 层与层之间仅以弱范德华力相结合. 这个结构上的共性保证了二维材料即使在单层极限下也可以保有其结构的完整性和化学的稳定性. “界面即器件”, 二维材料本身就是一个界面, 基于二维材料的半导体器件电场对沟道的调控更彻底, 从而抑制纳米尺度下半导体器件中的短沟道效应. 在器件尺寸已经微缩到纳米量级的后摩尔时代, 以过渡金属硫族化合物、黑磷为代表的二维材料在极限厚度下表现出优异的半导体特性, 作为未来半导体器件沟道的候选材料受到广泛关注. 与此同时, 二维材料单层极限下的化学稳定性也使得更多样的调控手段成为可能. 比如, 近年来日益受到重视的门电极离子调控可以在 1014cm–2的水平调控二维材料的电荷掺杂, 从而把门电极调控的概念推广到磁性、强关联乃至高温超导材料. 基于这些新型调控方法的二维器件将有可能发展为新的器件原型.
从二维材料到器件再到应用, 这个链条上不可或缺的一环是二维材料的宏观制备——只有在宏观尺度下实现高质量二维材料的可控制备, 我们以上讨论的二维材料的种种优势才有可能转化为实际的应用. 正因如此, 二维材料的宏观制备一直是二维材料研究的一个热点和前沿, 近年来取得了一个又一个的突破. 这些突破有许多要归功于海内外的华人物理、材料学家. 他们活跃在这个前沿,做出了突出的成绩.
受《物理学报》编辑部委托, 我邀请了几位活跃在二维材料宏观制备研究前沿的中青年学者,为中文读者回顾总结领域里近年来的部分进展. 其中既包括对多种二维材料自下而上的生长研究,也包括从块材出发自上而下的大面积解理探索. 组稿期间恰逢新冠疫情肆虐, 作者们在非常困难的情形之中完成稿件, 如约赐稿, 殊为不易. 受水平及时间所限, 本专题对二维材料宏观制备领域的介绍难免挂一漏万, 不足之处恳请各位同仁不吝指正.
2022, 71 (10): 108103.
doi: 10.7498/aps.71.20212399
摘要 +
随着芯片尺寸不断缩小, 短沟道效应、热效应日趋显著. 开发全新的量子材料体系以实现高性能芯片器件应用已成为当前科技发展的迫切需求. 二维材料作为一类重要的量子材料, 其天然具备原子层厚度和平面结构, 能够有效克服短沟道效应并兼容当代微纳加工工艺, 非常有望应用于新一代高性能器件方向. 与硅基芯片发展类似, 二维材料芯片级器件应用必须基于高质量、大尺寸的二维单晶材料制造. 然而, 由于二维材料的表界面特性, 现有体单晶制备技术不能完全适用于单原子层结构的二维单晶制造. 因此, 亟需发展新的制备策略以实现大尺寸、高质量的二维单晶原子制造. 有鉴于此, 本文重点综述表界面调控二维单晶大尺寸制备技术发展现状, 总结梳理了米级二维单晶原子制造过程中的3个关键调控方向, 即单畴生长调控、单晶衬底制备和多畴取向控制. 最后, 系统展望了大尺寸二维单晶在未来规模化芯片器件方向的潜在应用前景.
2022, 71 (10): 106801.
doi: 10.7498/aps.71.20212407
摘要 +
由于量子受限效应, 二维材料表现出很多三维材料所不具备的优异电学、光学、热学以及力学性能, 为研究人员所关注. 材料的优异物性离不开高质量材料的制备, 超高真空环境可以减少杂质分子的污染与影响, 提高二维材料的质量与性能. 本文介绍基于超高真空环境的新型二维原子晶体材料的原位制备方法, 包括利用分子束外延构筑新型二维材料、利用石墨烯插层构筑新型二维原子晶体材料异质结构以及利用扫描探针原位操纵构筑二维材料异质结构三大类. 文章回顾利用这三类方法构筑的二维材料及其物理化学性质, 比较三种方法各自的优势与局限性, 对未来二维材料制备提供一定的指引.
2022, 71 (10): 108104.
doi: 10.7498/aps.71.20220155
摘要 +
硼烯作为目前发现的最轻的二维材料, 表现出丰富的物理性质, 包括高柔韧性、光学透明性、高热导率、近一维自由电子气、狄拉克费米子、超导电性等. 然而, 由于体相硼的层间共价键结合力较强, 很难剥离出单层硼烯. 另外, 硼原子的缺电子属性, 使其化学性质比较活泼, 成键复杂, 导致硼烯有很多同素异形体. 长期以来, 关于硼烯的研究停留在理论探索方面, 硼烯的实验制备一直难以突破, 直到最近几年才由少数课题组成功制备, 至此关于硼烯的生长、结构以及电子性质研究打开了巨大的探索空间. 本文主要从实验方向, 系统综述了硼烯在不同衬底上的制备方法以及表现的不同结构相, 并讨论了其生长机理. 硼烯的制备为进一步扩展硼烯的物理性质提供研究平台, 为探索硼烯的纳米器件制备提供思路, 使得其在高能量储备、光电子器件、高检测灵敏度、柔性纳米器件等方面具有巨大的潜在应用前景.
2022, 71 (10): 108102.
doi: 10.7498/aps.71.20212447
摘要 +
二硫化钼(MoS2)作为一种新兴的二维半导体材料, 它具有天然原子级的厚度以及优异的光电特性和机械性能, 在未来超大规模集成电路中具有巨大的应用潜力. 本文综述了我们课题组在过去几年中在单层MoS2薄膜研究方面所取得的进展, 具体包括: 在MoS2薄膜制备方面, 通过氧辅助气相沉积方法, 实现了大尺寸MoS2单晶的可控生长; 通过独特的多源立式生长方法, 实现了4 in晶圆级大晶粒高定向的单层MoS2薄膜的外延生长, 样品显示出极高的光学和电学质量, 是目前国际上报道的质量最好的晶圆级MoS2样品; 通过调节MoS2薄膜的氧掺杂浓度, 可以实现对其电学和光学特性的有效调控. 在MoS2薄膜器件与应用方面, 利用制备的高质量单层MoS2薄膜, 实现了高性能柔性晶体管的集成, 这种大面积柔性逻辑和存储器件显示出优异的电学性能; 在集成多层场效应晶体管的基础上, 设计, 加工了垂直集成的多层全二维材料的多功能器件, 充分发挥器件的组合性能, 实现了“感-存-算”的一体化; 制备了全二维材料浮栅存储器, 实现了功耗低, 可靠性好, 且高度对称和线性度可调的突触权重输出的人工突触器件; 通过引入结构域边界提高MoS2基地面的电催化析氢反应(HER)催化活性等. 我们在MoS2薄膜的制备以及器件特性方面所取得的进展对于MoS2的基础和应用研究均具有指导意义.
2022, 71 (10): 108201.
doi: 10.7498/aps.71.20220030
摘要 +
自从2004年首次制备出石墨烯以来, 机械解理技术被广泛用于制备过渡金属二硫族化合物、黑磷等各种二维材料. 在多种二维材料制备技术中, 机械解理技术具有制备方法简单、普适性好等优点, 最重要的是解理得到的晶体质量高, 是研究很多新奇物性的理想选择. 本文介绍了机械解理技术的产生背景, 总结了常规机械解理技术在二维材料研究过程中的瓶颈. 为了解决常规机械解理技术制备效率低、样品尺寸小的问题, 一些新型机械解理技术近年来不断发展起来, 如氧气等离子体辅助法和金膜辅助法等. 作为自上而下的二维材料制备方法, 新的解理技术在未来二维材料基础研究和应用中仍然充满生机. 未来解理技术将朝更大尺寸, 更高质量方向发展.
2022, 71 (16): 166101.
doi: 10.7498/aps.71.20220388
摘要 +
半导体加工工艺微缩过程中, 硅基材料的短沟道效应带来的低能效促使研究人员寻找新型半导体替代材料. 二维半导体因其原子级别的厚度以及范德瓦耳斯表面而倍受关注, 二维硒氧化铋就是其中迁移率、稳定性以及成本各方面较为均衡的一种. 然而, 其制备受到基底很严格的限制, 导致器件加工难度较大. 本文利用化学气相沉积法直接在硅片基底上合成出规格为25 µm×51.0 nm(厚度)的二维硒氧化铋, 并通过拉曼光谱、原子力显微镜、扫描电子显微镜、X射线能谱对其进行表征. 同时, 通过场效应晶体管输运的测试得出其迁移率为80.0 cm2/(V·s)以及光电探测得出其具有2.45×104 A/W的光响应度和6×104的光增益等比较出色的表现. 但由于厚度较大, 导致其场效应管开关比低(2500)以及不高的光电探测灵敏度(5×1010 Jones). 由此可知, 硅片基底虽然带来器件加工上的便利性, 但有待进一步优化生长, 并集成更多种材料的应用.
