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半導體外延異質(zhì)結(jié)是現(xiàn)代電子學和光電子學的基礎(chǔ)。記者5月7日從湖南大學獲悉，該校段曦東教授課題組報告了一種激光加工聯(lián)合精準外延的系統(tǒng)性制造策略，制備了二維(2D)過渡金屬硫族化學物(TMDs)橫向異質(zhì)結(jié)陣列。該研究是關(guān)于合成二維面內(nèi)異質(zhì)結(jié)陣列的首次公開報道，突破了二維面內(nèi)異質(zhì)集成的瓶頸，有望推動二維集成電路的發(fā)展。

近日，上述成果發(fā)表在《自然—納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上，段曦東為通訊作者。

2D-TMDs由于其超薄的晶體結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電子學特性、表面無懸掛鍵且易于集成，成為下一代半導體的重要候選材料。它的種類很多，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)建中具有高度的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的異質(zhì)結(jié)，為未來電子學發(fā)展提供全新可能。

然而，目前2D-TMDs材料的面內(nèi)異質(zhì)結(jié)陣列結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)，而這是應用到器件并實現(xiàn)集成化電路的材料基礎(chǔ)。其原因在于2D-TMDs原子晶體圖案化加工與當前的傳統(tǒng)工藝不兼容，傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)原子級潔凈界面，使得原子級面內(nèi)外延難以實現(xiàn);同時高精準外延控制一直是2D-MDs高效合成的瓶頸。因此，發(fā)展全新圖案加工手段并實現(xiàn)系統(tǒng)的新外延策略對制備陣列化面內(nèi)異質(zhì)結(jié)非常重要。

段曦東教授課題組通過發(fā)展二維原子晶體圖案激光加工技術(shù)，有力避免了傳統(tǒng)光刻和等離子刻蝕加工工藝中的界面吸附問題、有機物殘留問題。該策略展現(xiàn)了高度穩(wěn)定性和陣列圖案、大小等結(jié)構(gòu)參數(shù)的可調(diào)性。

具體而言，TMDs材料在經(jīng)使用傳統(tǒng)方式的圖案化加工步驟后，會在界面處出現(xiàn)雜質(zhì)基團吸附等污染;采用氧等離子等傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)，也難以實現(xiàn)原子級精度的材料邊緣，這對原子級的外延生長是極為不利的。為了消除傳統(tǒng)技術(shù)的不利影響，研究人員通過發(fā)展全新的激光加工技術(shù)與熱刻蝕技術(shù)，實現(xiàn)了二維原子晶體圖案化，并且圖案邊緣待外延界面實現(xiàn)了原子級潔凈。研究人員結(jié)合課題組早先發(fā)展起來的雙向氣流外延合成等技術(shù)，從空間和時間上控制化學氣相沉積爐中的氣氛場和溫度場，實現(xiàn)另一種TMDs材料在原二維原子晶體的高度清潔的邊緣精準橫向成核與外延，形成2D-TMD橫向異質(zhì)結(jié)陣列。通過精確控制激光加工位點、熱刻蝕溫度和時間，2D TMDs橫向異質(zhì)陣列的形態(tài)與組合圖案可以得到完美控制。

研究者們還通過高分辨球差透射電子顯微鏡展示異質(zhì)結(jié)陣列具有高清的原子級尖銳的異質(zhì)界面;利用光致發(fā)光光譜展示了異質(zhì)結(jié)陣列受晶格失配和陣列幾何圖案控制的位于異質(zhì)結(jié)界線附近的應力調(diào)制。

據(jù)介紹，該研究為2D -MDs橫向異質(zhì)陣列制造方法提供了全新的思路，并為原子級薄的復雜二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)、超薄器件與二維集成電子電路提供了一個嶄新的材料研究平臺;為研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能、調(diào)控和其它各種應用打下了堅實的 基礎(chǔ)。《自然-納米技術(shù)》專門在news&views欄目撰文報道該成果，并作出“這項研究為二維材料的精密制造提供了全新途徑，并將推進二維材料在集成電路中的應用”的評價。

“該研究中的精確控制合成令人印象深刻，該課題有可能是二維材料領(lǐng)域的一個非常重要的進展。”該論文的審稿人表示，“研究中潔凈邊緣的精確制造令人印象深刻，這是精確結(jié)構(gòu)設(shè)計成功的關(guān)鍵。該技術(shù)將有可能用于未來納米電子學的工藝制造。”

該研究得到了國家自然科學基金、湖南省創(chuàng)新研究群體項目和國家雙一流經(jīng)費等項目的資助，主要合作者還包括加州大學洛杉磯分校、湖南大學、中國科學技術(shù)大學的研究者。(作者：王昊昊)