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探索二维材料的新型异质结构

发布:HPLSElaser阅读:2683时间:2018-11-7 22:42:03


两个研究小组报告了目前二维材料及其异质结构的最新进展,并探讨了该材料在光电产业中的应用。图片来源:麻省理工学院/Peng Lin。

自从大约15年前实验室中首次分离石墨烯以来,各国的研究人员已经开始对其应用以及其他原子厚度的二维材料(如过渡金属二硫化物,TMD)制造坚固、轻便、灵活的设备。但是,制造超薄柔性屏幕和可弯曲的移动电话需要这种二维半导体材料的具有良好的堆叠或异质结构,以实现特定的光电效应。

最近有几个实验室报告了这种可扩展的超薄异质结构的最新进展。来自中国、澳大利亚和美国的研究人员组成的一个联合研究小组制造出了一种由单层二维过渡金属二硫化物、二硒化钼(MoSe2)和有机材料组成的原子厚度的异质结构,并发现这种有机-无机杂化物具有特殊的性质,能够增加光激发效率和光致发光性能。在另外的研究工作中,美国和韩国的研究人员开发了一种方法,能够在晶圆级别上可靠地制造高质量的过渡金属二硫化物单层膜和异质结构。

在二维材料中,由于这些材料的间接带隙很大,过渡金属二硫化物将诸如钨或钼的过渡金属与诸如硫或硒的硫属元素结合在一起,这使它们成为光电探测器、LED和太阳能电池的重要组成部分。来自中国南京大学、澳大利亚国立大学(AMU)和美国威斯康星大学的研究人员最近的工作重点是如何加强单层过渡金属二硫化物中的光与物质相互作用。

研究人员设计的一种方法是将这些无机二维材料与有机分子半导体配对。先前的工作表明,这种有机-无机配对能够增加激发的电子-空穴对,即所谓的激子在异质结构界面上的迁移率。这也提高了半导体堆栈在将光转换为电能(在光电探测器和光伏器件等应用中)和电能转换为光(在LED中)的效率。联合研究团队指出,其问题在于此前的工作已将二维过渡金属二硫化物与大块有机材料(厚度大于20纳米)集成在了一起。研究人员建议,这对于优化这些结构中光物质相互作用所需的原子-原子控制是不够的,而且也不利于将这些异构结构集成到异型超薄设备中。


联合研究团队开发的半导体异质结构无法用肉眼观察,位于芯片上的金电极之间,大约1平方厘米。图片来源:Jack Fox,澳大利亚国立大学。

为了获得真正的原子厚度过渡金属二硫化物-有机异质结构,研究人员建立在先前研究只有几个分子层厚的有机半导体的工作的基础上。以这项工作为基础,他们使用物理气相沉积在几个原子层厚的氮化硼薄膜上放置一层超薄的二维有机半导体材料并五苯。他们通过在有机层顶部沉积干燥的MoSe2薄片来完成异质结构,最后附加了一些金电极。该团队发现这些二维并五苯-MoSe2异质结构显示出所谓的I型带对齐。这种情况意味着激子能够穿过有机-无机异质结构界面的效率比单独的MoSe2中的光激发高86倍。

澳大利亚国立大学的研究员Ankur Sharma在一份新闻稿中称:“我们的半导体结构发出的光线非常清晰,因此它可以用于高分辨率显示器,而且由于材料是超薄的,它们能够灵活地制成可弯曲的屏幕。”更广泛地说,该研究提供了“一种新的方法来设计原子级薄的光物质相互作用半导体及其混合电路,可实现各种新型光电器件,如超薄发光二极管和异质结构激光器等。”联合研究团队的报告使得二维半导体异质结构能够应用于最新的光电产品。但是,如何制造这些结构的无机部分,即机械剥离MoSe2薄片仍然然是将这种结构扩展到商业用途的问题。另一个团队的工作能够提供一种在与半导体晶圆生产兼容的规模上建立过渡金属二硫化物异质结构的方法。

石墨烯发现后的十五年内,各国的实验室仍在制造二维无机材料,目前研究人员们仍然在使用胶带剥离二维薄片。从散装材料中取出材料,然后将这些薄片组装成一个或几个原子层厚的薄膜。这是一个耗时且十分困难的过程,需要花费数小时才能在实验室中组装完成单个设备。


层解分裂方法的示意图,能够制造一些二维材料的晶圆级单原子层。图片来源:麻省理工学院。

为了摆脱商业化困难的障碍,美国麻省理工学院、佐治亚理工学院、弗吉尼亚大学、圣母大学以及韩国延世大学的研究人员研究了一种截然不同的方法,该团队认为该方法能够实现二维材料的常规晶圆级集成。该研究团队称之为层解分裂的技术需要首先在蓝宝石晶圆顶部生长相对较厚的二维过渡金属二硫化物材料,直径约5厘米,有数个原子厚。其后将600nm厚的镍膜牢固地粘附到叠层的顶部,并向后弯曲以从蓝宝石衬底机械地释放二维材料。接下来,将第二镍层添加到叠层的底部。当顶层再次向后弯曲时,裂缝在堆叠的过渡金属二硫化物材料上传播,然后沿着原子厚度单层之间的界面传播,使单层膜逐个剥离并附着在一个大块中。

该团队能够利用该技术从各种过渡金属二硫化物(包括MoSe2,MoS2,WSe2和WS2)中制造5厘米直径的晶圆级均匀单层,而且时间比原有的方法更短。更重要的是,他们表明以这种方式创建的二维层能够有效地堆叠成各种异质结构,甚至是具有增强的光电特性的异质结构阵列。该团队认为,层解分裂技术能够为基于过渡金属二硫化物的异质结构的高产量制造提供关键技术,并因此成为基于这种结构的设备商业化的“垫脚石”。麻省理工学院的团队负责人Jeehwan Kim表示:“你需要做的就是将这些厚厚的二维材料单层隔离并将它们叠加起来。因此它们的成本非常低,比现有的半导体工艺便宜得多。这意味着它将把实验室里的二维材料进行商业化。”

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