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受石墨烯卓越特性的啟發,科學家們越來越多地致力于探索其他二維材料,無論是在自然界中發現的,還是實驗室中合成的都成了研究的熱點。然而,事實上大面積生長高質量的結晶二維材料是一個重大的挑戰。
據悉,最近,賓夕法尼亞州立大學和倫塞拉理工學院的合作成立的研究團隊開發了一種有效的多步驟工藝,可用于在大面積藍寶石襯底上制備二烯化鎢單晶薄膜。該團隊由二維晶體聯合會材料創新平臺主任、賓州材料科學和工程及電氣工程教授瓊•瑞德溫領導。
以氣源化學氣相沉積法在藍寶石襯底上制備大尺寸的原子狀2D薄膜示意圖
圖像來源:賓夕法尼亞州立大學,張笑天。
Redwing說:“到目前為止,大多數2D器件都是用大塊晶體切割出小薄片制造的,然而,要想開發出一種高效的器件制備技術,你必須能夠在大面積襯底上制造器件,而且它們必須具有良好的性能。”
該團隊開發的這種新工藝是一種以藍寶石為襯底進行外延生長,藍寶石的晶體結構決定了二硒化鎢薄膜的生長方向,從而形成了一種特殊的晶體形態。最初,襯底上形成了二烯化鎢的小島嶼。當襯底加熱時,這些島以均勻的方式分布在基片上,形成一種無間隙的大面積薄膜。這一工藝的關鍵步驟是利用氣源化學氣相沉積精確控制島密度和擴散速率,實現了二維材料的單層化。
Redwing和她的團隊將她們的成果發表于雜志Nano Letters。而另一篇與其相近發表在雜志ACS Nano上的論文(由賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程副教授Joshua Robinson領導的一個研究小組發表),為未來的工業規模電子學,基于外延大面積薄膜的器件制備合成2D半導體,提供了概念性的解釋。
Robinson說:“我們這項工作的主要意義在于,能夠讓人們理解獲得高質量2D材料的外在因素;我們發現,即使你能夠在表面生長定向晶體,也有其他因素影響其電子遷移率或晶體管的靈敏度。”尤其值得關注的是,我們發現藍寶石基片和單層膜之間有著強烈的相互作用,基片主導了薄膜的性能。為了克服這些問題,研究人員制備了兩到三層的薄膜,這使得薄膜中電子的遷移率提高了20到100倍。這是第一次真正證明襯底對2D層的傳輸特性的影響。” |