双层二硫化钼制备获重大突破：南京大学电子科学与工程学院李涛涛、王欣然和东南大学马亮、王金兰《Nature》厘米级双层MoS2制备

【导读】

过渡金属硫化物（TMDs）具有良好的静电控制能力、较小的带隙和较高的迁移率，被认为有望超越硅基电子器件。目前在单层TMDs的生长方面取得了丰硕成果，但是多层TMDs的可控外延生长仍然是一个巨大挑战。

【成果掠影】

南京大学电子科学与工程学院李涛涛、王欣然和东南大学物理学院通过调控原子梯级高度，在蓝宝石基底的c面上，利用外延生长，然后将形成的TMDs区域融合，实现了99%的均匀成核，制备了厘米级二硫化钼薄膜。由此制备的短沟道场效应晶体管（FET）迁移率可达122.6 cm₂·V⁻¹·s⁻¹，短沟道FET开态电流可达1.27 mA·μm⁻¹。

【数据概览】

图1. a, 在1,000℃和1,350℃退火的蓝宝石衬底上连续单层（左）和双层（右）MoS₂薄膜的照片。

b，沿<1010>方向蓝宝石的晶格结构。每个Al-O-Al层对应于一个高度为2.16埃；

c, 双层域的初始成核阶段的AFM图；

d，在1,000 °C和1,350 °C下退火的c面蓝宝石梯级高度统计结果；

e, 双层MoS₂的横截面高角环形暗场扫描透射图像证明二硫化钼在蓝宝石台阶边缘成核；

f，MoS₂双分子层的形成能量与台阶高度关系。

图2.双层MoS₂的均匀连续薄膜。

a, 双层结构域的光学显微镜照片；

b，在SiO₂/Si基底上转移的双层MoS₂域的AFM图像；

c, 拉曼光谱；

d, h 统计学双层和单层MoS₂结构域的统计学分布；

e, 连续双层MoS₂薄膜的图像；

f, 低能电子衍射图；

g，拉曼图谱在亚微米级别的线扫描结果；

i-k，单双层二硫化钼的拉曼、电子能表征。

图3. 双层二硫化钼的场效应晶体管性能。

a，背栅FET阵列的假彩色扫描电子显微镜图像；

b，转移特性曲线；

c，输出特性曲线；

d，150个器件的迁移率统计数据；

e，D图所对应器件的转移特性曲线；

f，开态电流和沟道宽度的关系；

g，开态电流和迁移率的关系。

【成果启示】

通过边缘成核和外延生长法，作者首次在蓝宝石基板上制备了大规模、高度取向的MoS₂薄膜，对应的FET性能远超单层MoS₂器件。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04523-5

本文由iron-man供稿。