大面积范德瓦尔斯异质结阵列

何其远，张华

1香港城市大学材料科学与工程系，香港

2香港城市大学化学系，香港

3香港城市大学，国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心，香港

范德瓦尔斯异质结阵列的可控、大面积制备及其相应结构和电学特性表征。

近年来，二维(2D)半导体材料在现代电子和光电子学中展示出巨大的潜在应用，迅速成为凝聚态物理、晶体生长等科学领域以及半导体工业界的研究热点。与传统的硅基和III-V半导体相比，2D材料因其无悬空键的表面结构，原子薄的厚度和免疫短沟道效应等特性而被视为后摩尔时代半导体材料的领跑者1-4。开发基于2D材料的晶体管和集成电路是延续摩尔定律并实现下一代高速，低功耗数字电子产品的关键之一。要实现2D材料在工业应用中的集成化和功能化，大规模的异质结阵列化是一种非常可行的方案。然而，迄今为止，大多数2D范德瓦尔斯异质结构(vdWH)都是通过微机械剥离和再堆叠来制备的5-7。然而这种方法无法有效地提高制备的产量。如何大幅提高2D vdWH的产量、实现异质结阵列化是二维材料走向电子、光电子工业实际应用亟需克服的重大挑战。

湖南大学段曦东教授研究组和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授研究组开发了激光烧蚀等技术在2D半导体过渡金属硫族化合物(s-TMDs)基底上定点制造缺陷阵列，金属TMDs (m-TMDs)在这些缺陷点由于成核能垒低，所以可以优先成核，最终成功实现了2D m-TMD/s-TMD垂直异质结阵列(图a-c)8。由于这种策略具有普适性，他们成功地合成了一系列异质结阵列，包括VSe2/WSe2、NiTe2/WSe2、CoTe2/WSe2、NbTe2/WSe2、VS2/WSe2、VSe2/MoS2和VSe2/WS2。

特别值得一提的是，他们在MoS2单层连续膜9上成功地制备了大规模VSe2/MoS2(图d)垂直异质结阵列(＞ 12000个)，良率达～99%8。实现了二维m-TMD/s-TMD vdWH阵列的规模化制备。大量的结构表征证明制备的vdWH具有原子清晰度、接近理想的界面和轮廓分明的摩尔超晶格结构(图e-k)。利用这种范德瓦尔斯接触制备的双层硒化钨场效应晶体管开态电流高达900 μA·μm-1(图m)，该数值在所有已报道的单层或者双层TMDs室温半导体器件中是最高的，为制备可与硅晶体管竞争的二维材料晶体管带来了希望。测定的双层WSe2沟道场效应晶体管阵列的半导体载流子迁移率可达137 cm2·V-1·s-1，而且分布很窄。这清楚地表明了他们制备的范德瓦尔斯异质结能在原子级厚度的二维新型半导体上形成高质量的电接触。

另外，该研究组通过改进传统的热化学气相沉积方法，创造性地在生长条件稳定化的过程中引入冷的逆向气流10，成功地解决了多步生长过程中二维超薄材料的热稳定和可控成核问题，在国际上率先成功制备了多种单层异质结(如WS2-WSe2、WS2-MoSe2)、多异质结(如WS2-WSe2-MoS2、WS2-MoSe2-WSe2)和超晶格异质结(如WS2-WSe2-WS2-WSe2-WS2)。该双向气流生长策略还被应用到s-TMD单晶的制备中，成功实现了单层s-TMD(如WS2、WSe2)大单晶的快速生长11。

上述相关研究成果近期分别在Nature、Science、National Science Review期刊上在线发表8,10,11。复杂二维异质结构的可控、大规模制备为高性能新型器件的量产化提供了新的思路，为二维材料在电子学、光电子学领域的实际应用奠定了坚实的基础。