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Nano Res.[半导体]│中国科学院半导体所张兴旺课题组:基于h-BN中间层的过渡金属硫属化合物的远程外延

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背景介绍


层状二维(2D)过渡金属二硫化物(TMD)半导体由于其优异的光电特性和广泛应用前景,近年来备受关注。由于剥离的TMD薄片横向尺寸有限,厚度随机,不适合器件应用,因此,迫切需要制备高质量大面积的TMD层。然而,由于衬底表面存在的缺陷、杂质和表面光学声子引起的界面散射使TMD基器件的光电性能差强人意。因此,如何减少这些来自衬底的负面影响尤为重要。远程外延作为一种新型的外延技术,衬底的强势场可以穿透超薄的二维中间层,直接影响外层材料的生长,从而实现所谓的远程外延。由于二维材料表面没有悬挂键,可以有效避免界面散射。此外,二维中间层和外延层之间弱的范德华相互作用,允许将外延层剥离并转移到其他衬底上。石墨烯是目前远程外延中使用最多的二维中间层材料,然而单层石墨烯在850℃的生长温度下会被破坏。六方氮化硼(h-BN)作为石墨烯的等电子同构体,具有优异的化学稳定性和热稳定性,同样被认为是一种很有前途的远程外延中间层。更为重要的是,h-BN是唯一具有优异介电性能和突出稳定性的二维绝缘材料,使用h-BN更适合于作为电子器件应用的中间层。


成果简介


鉴于此,在该工作中,中国科学院半导体所张兴旺课题组采用化学气相沉积(CVD)技术,在蓝宝石衬底表面引入单层h-BN,借助穿透h-BN层的蓝宝石衬底的晶格势场作用,实现了二维ZrS2薄膜的远程外延,但随着h-BN层数的增加,ZrS2层与衬底之间的外延关系逐渐消失。由于ZrS2外延层受到较弱的界面散射和具有较高的晶体质量,基于远程外延的ZrS2光电探测器表现出最好的性能,其开/关比超过2×105,响应率高达379 mA W-1。此外,同样在蓝宝石衬底上基于单层h-BN中间层实现了二维ZrSe2薄膜的远程外延,表明了二维h-BN中间层对远程外延的广泛适用性。本工作为制备单晶过渡金属二硫族化合物及其与h-BN异质结提供了一种有效的方法,在开发大面积二维电子器件方面具有很大的潜力。我们采用化学气相沉积技术。

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作者简介


张兴旺,中国科学院半导体研究所研究员,博士生导师,中国科学院大学岗位教授,国家高层次人才特殊支持计划。于1994年和1999年分别获得兰州大学学士学位和博士学位。1999年至2001年在香港中文大学做博士后,2001至2004年任德国乌尔姆大学固体物理系博士后及洪堡学者,2004年通过中科院高层次人才计划加入中国科学院半导体研究所。已主持承担国家重点研发计划、自然科学基金等项目30余项,在Nature Mater.、Nature Energy、Nat. Commun.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文200篇,论文被他引13000余次,获授权发明专利26项。目前主要研究方向为超宽带隙半导体、二维材料、光伏材料及器件。


文章信息


Huang J, Chen J, Meng J, et al. Remote heteroepitaxy of transition metal dichalcogenides through monolayer hexagonal boron nitride. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6171-3.




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