a, enkristall WS2; b, Safirskiva som används i industrin är en enkristall; c, Experimentella bilder om WS2 filmer på safirskiva efter O2 etsning. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Eftersom den kiselbaserade halvledande tekniken närmar sig gränsen för dess prestanda, är nya material som kan ersätta eller delvis ersätta kisel i teknologin mycket önskvärda. Nyligen har uppkomsten av grafen och andra tvådimensionella (2D) material en ny plattform för att bygga nästa generations halvledande teknologi. Bland dem, övergångsmetalldikalkogenider (TMD), såsom MoS2 , WS2 , MoSe2 , WSe2 , är de mest tilltalande 2D-halvledarna.
En förutsättning för att bygga ultrastorskaliga högpresterande halvledande kretsar är att basmaterialen måste vara en enkristall av wafer-skala, precis som den kiselwafer som används idag. Även om stora ansträngningar har ägnats åt tillväxten av enkristaller i wafer-skala av TMD, var framgången mycket begränsad fram till nu.
Den framstående professor Feng Ding och hans forskargrupp från Center for Multidimensional CarbonMaterials (CMCM), inom Institutet för grundläggande vetenskap (IBS) vid UNIST, i samarbete med forskare vid Peking University (PKU), Beijing Institute of Technology och Fudan University, rapporterade den direkta tillväxten av 2-tums enkristall WS2 monolagerfilmer helt nyligen. Förutom WS2 , visade forskargruppen också tillväxten av enkristall MoS2 , WSe2 och MoSe2 även i waferskala.
Nyckelteknologin för epitaxiellt odlad en stor singkristall är att säkerställa att alla små enkristaller som odlas på ett substrat är jämnt inriktade. Eftersom TMD:er har en icke-centrosymmetrisk struktur eller att spegelbilden av en TMD med avseende på en kant av den har motsatt inriktning, måste vi bryta en sådan symmetri genom att noggrant utforma substratet. Baserat på teoretiska beräkningar föreslog författarna en mekanism för "dual-coupling-guided epitaxy growth " för experimentell design. WS2 -safir planinteraktion som den första drivkraften, vilket leder till två föredragna antiparallella orienteringar av WS2 öar. Kopplingen mellan WS2 och sapphire step-edge är den andra drivkraften och den kommer att bryta degenerationen av de två antiparallella orienteringarna. Sedan är alla TMD-enkristaller som odlas på ett substrat med stegkanter alla enkelriktade och slutligen leder koalescensen av dessa små enkristaller till en stor enkristall av samma storlek som substratet.
a-b, Schematiska diagram av WS2 ö på en plan safiryta i ett plan, som har två föredragna antiparallella orienteringar; c-d, enkelriktad inriktning av WS2 ö odlad på näraliggande a-plan safir med steg. Kredit:Institutet för grundvetenskap
"Denna nya mekanism för tillväxt av epitaxi med dubbla kopplingar är ny för kontrollerbar materialtillväxt. I princip tillåter den oss att odla alla 2D-material till enkristaller med stor yta om rätt substrat hittades." Säger Dr. Ting Cheng, den första författaren till studien. "Vi har funderat på hur man teoretiskt ska välja rätt underlag. För det första ska underlaget ha en låg symmetri och för det andra är fler stegkanter att föredra." understryker professor Feng Ding, motsvarande författare till studien.
"Detta är ett stort steg framåt inom området för 2D-materialbaserade enheter. Eftersom den framgångsrika tillväxten av wafer-scale enkristall 2D TMDs på isolatorer bortom grafen och hBN på övergångsmetallsubstrat, ger vår studie den nödvändiga slutstenen för 2D-halvledare i avancerade tillämpningar av elektroniska och optiska enheter", förklarar professor Feng Ding.
Forskningen publicerades i Nature Nanotechnology . + Utforska vidare
