大面积薄层二硫化铌的可控生长

大面积薄层二维材料的可控制备是材料物理研究领域的热点和难点之一. 本工作采用助熔盐辅助的化学气相沉积方法在云母衬底上可控制备了大面积二硫化铌薄层, 最大尺寸达到115 微米. 通过拉曼光谱、 电子显微表征技术进一步确认了化学气相沉积法制备出的二硫化铌为3R 相, 具有很好的单晶性. 本工作基于化学气相沉积方法为可控制备二维过渡金属硫化物提供了参考.     

基于熔融玻璃的预沉积法生长毫米级单晶MoS2及WS2-MoS2异质结

MoS₂是一种具有优异光电性能和奇特物理性质的二维材料,在电子器件领域具有巨大的应用潜力.高效可控生长出大尺寸单晶MoS₂是该材料进入产业应用所必须克服的重大难关,而化学气相沉积技术被认为是工业化生产二维材料的最有效手段.本文介绍了一种利用磁控溅射预沉积钼源至熔融玻璃上,通过快速升温的化学气相沉积技术生长出尺寸达1 mm的单晶MoS₂的方法,并通过引入WO₃粉末生长出了二硫化钼与二硫化钨的横向异质结(WS₂-MoS₂).拉曼和荧光光谱仪测试表明所生长的样品具有较好的晶体质量.利用转移电极技术制备出了背栅器件样品并对其进行了电学测试,在室温常压下开关比可达10~5,迁移率可达4.53 cm~2/(V·s).这种低成本高质量的大尺寸材料生长方法为二维材料电子器件的大规模应用找到了出路.     

高质量单层二硫化钼薄膜的研究进展

作为一种新型的二维半导体材料,单层二硫化钼薄膜由于其优异的特性,在电子学与光电子学等众多领域具有潜在的应用价值.本文综述了我们课题组在过去几年中针对单层二硫化钼薄膜的研究所取得的进展,具体包括:在二硫化钼薄膜的制备方面,通过氧辅助化学气相沉积方法,实现了大尺寸单层二硫化钼单晶的可控生长和晶圆级单层二硫化钼薄膜的高定向外延生长;在二硫化钼薄膜的加工方面,发展了单层二硫化钼薄膜的无损转移、洁净图案化加工、可控结构相变与局域相调控的方法,为场效应晶体管等电子学器件的制备与性能优化提供了基础;在二硫化钼异质结方面,研究了二硫化钼薄膜与其他二维材料形成的异质结的电学以及光电性质,为二维材料异质结的构筑和器件特性研究提供了实验参考;在二硫化钼薄膜功能化器件与应用方面,构筑了全二维材料、亚5 nm超短沟道场效应晶体管器件,验证了单层二硫化钼对短沟道效应的有效抑制及其在5 nm工艺节点器件中的应用优势;此外,利用制备的高质量单层二硫化钼和发展的器件洁净加工技术,实现了高性能柔性薄膜晶体管的集成,获得了超高灵敏度与稳定性的非接触型湿度传感器.我们在二硫化钼薄膜的制备、加工以及器件特性研究方面所取得的进展对于二硫化钼及其他二维过渡金属硫属化合物的基础和应用研究均具有指导意义.     

表界面调控米级二维单晶原子制造

随着芯片尺寸不断缩小,短沟道效应、热效应日趋显著.开发全新的量子材料体系以实现高性能芯片器件应用已成为当前科技发展的迫切需求.二维材料作为一类重要的量子材料,其天然具备原子层厚度和平面结构,能够有效克服短沟道效应并兼容当代微纳加工工艺,非常有望应用于新一代高性能器件方向.与硅基芯片发展类似,二维材料芯片级器件应用必须基于高质量、大尺寸的二维单晶材料制造.然而,由于二维材料的表界面特性,现有体单晶制备技术不能完全适用于单原子层结构的二维单晶制造.因此,亟需发展新的制备策略以实现大尺寸、高质量的二维单晶原子制造.有鉴于此,本文重点综述表界面调控二维单晶大尺寸制备技术发展现状,总结梳理了米级二维单晶原子制造过程中的3个关键调控方向,即单畴生长调控、单晶衬底制备和多畴取向控制.最后,系统展望了大尺寸二维单晶在未来规模化芯片器件方向的潜在应用前景.     

双层石墨烯的化学气相沉积法制备及其光电器件

石墨烯是一种具有优异性质,在光电及能源领域具有巨大应用前景的二维材料.尽管单层石墨烯具有超高的迁移率,但是它的能带结构具有狄拉克锥(K点),即价带和导带并未有明显分离,所以在半导体器件方面的应用受到一定的限制.由双层石墨烯搭建而成的双门器件,在施加外加电场的情况下,它的带隙可以打开,并在一定范围内可调,这种性质赋予了双层石墨烯在半导体器件应用方面的前景.然而机械或者液相剥离石墨烯,在层数和大小方面可控性较差.如何通过化学气相沉积法可控制备双层石墨烯是目前研究的核心问题之一.本文主要综述了如何通过化学气相沉积法制备双层石墨烯和制备双层石墨烯器件的一系列工作,其中包括最新的研究进展,对生长机理的研究做了详细的介绍和讨论,并对该领域的发展进行了展望.     

单层二硫化钼的制备及在器件应用方面的研究

二硫化钼(MoS₂)作为一种新兴的二维半导体材料,它具有天然原子级的厚度以及优异的光电特性和机械性能,在未来超大规模集成电路中具有巨大的应用潜力.本文综述了我们课题组在过去几年中在单层MoS₂薄膜研究方面所取得的进展,具体包括:在MoS₂薄膜制备方面,通过氧辅助气相沉积方法,实现了大尺寸MoS₂单晶的可控生长;通过独特的多源立式生长方法,实现了4 in晶圆级大晶粒高定向的单层MoS₂薄膜的外延生长,样品显示出极高的光学和电学质量,是目前国际上报道的质量最好的晶圆级MoS₂样品;通过调节MoS₂薄膜的氧掺杂浓度,可以实现对其电学和光学特性的有效调控.在MoS₂薄膜器件与应用方面,利用制备的高质量单层MoS₂薄膜,实现了高性能柔性晶体管的集成,这种大面积柔性逻辑和存储器件显示出优异的电学性能;在集成多层场效应晶体管的基础上,设计,加工了垂直集成的多层全二维材料的多功能器件,充分发挥器件的组合性能...     

化学气相沉积法制备大尺寸单晶石墨烯的工艺参数研究

石墨烯作为一种二维sp2杂化碳的同素异形体,具有优良的电学、光学、热学及力学等性质.产业化应用石墨烯要求其具有大的尺寸且性质均一.化学气相沉积法(CVD)的出现为制备大尺寸、高质量的石墨烯提供了可能.本文结合近几年CVD法制备石墨烯的研究进展,综述了影响大尺寸、单晶石墨烯制备的工艺参数,包括衬底选择与预处理、碳源与辅助气体流量调控、腔体温度和压力控制、沉积时间以及降温速率设定等.最后展望了制备大尺寸单晶石墨烯的研究方向.     

铜基底上双层至多层石墨烯常压化学气相沉积法制备与机理探讨

化学气相沉积是目前最重要的ー种制备高质量、大面积石墨烯的方法.而铜是化学气相沉积法制备石墨烯中最常用的生长基底.虽然有大量文章报道了关于石墨烯的生长条件及生长机理,但是作为最广泛采用的材料,铜基底上双层及多层石墨烯的生长机理仍然在探索中,本文采用常压化学气相沉积法,以乙醇为碳源在铜基底上生长石墨烯,并将其转移到SiO_2/Si基底上.用场发射扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、光学显微镜对所制备的石墨烯进行表征和层数分析,对转移到不同基底上的不同层数的石墨烯进行了透光性分析.结果表明,常压条件下铜箔表面能够生长出质量较高、连续性较好的双层至多层石墨烯.此外,我们还对铜基底上双层至多层石墨烯的生长机理进行了探讨.     

气相沉积技术在原子制造领域的发展与应用

随着未来信息器件朝着更小尺寸、更低功耗和更高性能方向的发展,构建器件的材料尺寸将进一步缩小.传统的"自上而下"技术在信息器件发展到纳米量级时遇到瓶颈,而气相沉积技术由于其能在原子尺度构筑纳米结构引起极大关注,被认为是最有潜力突破现有制造极限进而在原子尺度构造、搭建物质形态的"自下而上"方法.本文重点讨论适用于低维材料的原子尺度制造的分子束外延技术和原子层沉积/刻蚀技术.简要介绍相关技术中蕴含的科学原理及其在纳米信息器件加工和制造领域的应用,并探讨如何在原子尺度实现对低维功能材料厚度和微观形貌的精密控制.     

单层MoS_2的电调制荧光光谱特性

采用化学气相沉积法在氧化硅衬底上合成大面积、高质量的单层MoS2二维材料,系统表征了材料的光学特性,并制备出高性能的n型场效应晶体管器件.进一步研究了外加电场对其荧光光谱特性的影响.结果表明:在室温条件下,单层MoS2的荧光光谱的最强特征峰由A-(带电激子态)、A(本征激子态)两个发光峰构成,并且二者的特征能量差约为35meV;通过调节底栅电压,测得发光峰随着栅压由负变正表现出明显的峰位红移和强度改变,且两个子峰的强度随栅压变化表现出相反的变化趋势;外加电场能够有效改变沟道中的载流子浓度,进而改变单层MoS2荧光光谱的强度和发光峰形状.为研究二维材料发光特性的物理机制提供了重要依据,此外这种器件的大规模制备为其应用于光电子学器件与系统提供了可能.     

Chemical vapor deposition growth of two-dimensional heterojunctions

The properties of two-dimensional (2D) layered materials with atom-smooth surface and special interlayer van der Waals coupling are different from those of traditional materials. Due to the absence of dangling bonds from the clean surface of 2D layered materials, the lattice mismatch influences slightly on the growth of 2D heterojunctions, thus providing a flexible design strategy. 2D heterojunctions have attracted extensive attention because of their excellent performance in optoelectronics, spintronics, and valleytronics. The transfer method was utilized for the fabrication of 2D heterojunctions during the early stage of fundamental research on these materials. This method, however, has limited practical applications. Therefore, chemical vapor deposition (CVD) method was recently developed and applied for the preparation of 2D heterojunctions. The CVD method is a naturally down-top growth strategy that yields 2D heterojunctions with sharp interfaces. Moreover, this method effectively reduces the introduction of contaminants to the fabricated heterojunctions. Nevertheless, the CVD-growth method is sensitive to variations in growth conditions. In this review article, we attempt to provide a comprehensive overview of the influence of growth conditions on the fabrication of 2D heterojunctions through the direct CVD method. We believe that elucidating the effects of growth conditions on the CVD method is necessary to help control and improve the efficiency of the large-scale fabrication of 2D heterojunctions for future applications in integrated circuits.     

二维原子晶体的低电压扫描透射电子显微学研究

二维原子晶体材料,如石墨烯和过渡金属硫族化合物等,具有不同于其块体的独特性能,有望在二维半导体器件中得到广泛应用.晶体中的结构缺陷对材料的物理化学性能有直接的影响,因此研究结构缺陷和局域物性之间的关联是当前二维原子晶体研究中的重要内容,需要高空间分辨率的结构研究手段.由于绝大部分二维原子晶体在高能量高剂量的电子束辐照下容易发生结构损伤,利用电子显微方法对二维原子晶体缺陷的研究面临诸多挑战.低电压球差校正扫描透射电子显微(STEM)技术的发展,一个主要目标就是希望在不损伤结构的前提下对二维原子晶体的本征结构缺陷进行研究.在STEM下,多种不同的信号能够被同步采集,包括原子序数衬度高分辨像和电子能量损失谱等,是表征二维原子晶体缺陷的有力工具,不但能对材料的本征结构进行单原子尺度的成像和能谱分析,还能记录材料结构的动态变化.通过调节电子束加速电压和电子辐照剂量,扫描透射电子显微镜也可以作为电子刻蚀二维原子晶体材料的平台,用于加工新型纳米结构以及探索新型二维原子晶体的原位制备.本综述主要以本课题组在石墨烯和二维过渡金属硫族化合物体系的研究为例,介绍低电压扫描透射电子显微学在二维原子晶体材料研究中的实际应用.     

二维平面和范德瓦耳斯异质结的可控制备与光电应用

自石墨烯被发现以来,二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展,以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷.随着二维新材料制备与应用探索的不断发展,单一材料性能的不足逐渐凸显,研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足,甚至获得一些新的性能.利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结,实现特定的功能化,或利用范德瓦耳斯力进行堆垛,将不同二维材料排列组合,从而在体系里引入新的自由度,为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口.本文从原子制造角度,介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用.首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念,然后从原理上分类列举了常用的表征方法,随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法,并对其光电性质及器件应用做了简要介绍.最后,对领域内存在的问题进行了讨论,对未来发展方向做出了展望.     

Controlled synthesis of porous nickel oxide nanostructures and their electrochemical capacitive behaviors

Achieving precise control over the synthesis and properties of porous nanostructured materials has been garnering considerable recent research attention. In the work presented here, nickel oxalate nanostructures with controllable shapes were synthesized through a simple and facile wet-chemistry route without any surfactant. An interesting shape evolution process from 2D nanoflakes to 1D nanorods has been illustrated on the basis of time-dependent experimental studies. Subsequent calcination at 380 °C yielded porous NiO nanostructures that retained the morphologies of their predecessors. The phase composition, morphology, and structure of the as-obtained products were studied by various tools. Electrochemical properties of the NiO electrodes were carried out using cyclic voltammetry and galvanostatic charge–discharge measurements by a three-electrode system. Electrochemical studies reveal that the as-prepared mesoporous NiO nanostructures have good specific capacitance and exhibit excellent capacity retention for more than 1,000 cycles due to its porous character and morphology. The results suggest that mesoporous NiO nanostructures are a promising supercapacitor electrode material.     

Nanoparticles in mesoporous films,a happy marriage for materials science

Mesoporous ordered materials, whose porosity is within the 2–50-nm range, are an ideal host for functional nanoparticles. Mesoporous thin films, in particular, offer a large variety of options for the fabrication of advanced materials and devices based on the host-guest combination of matrix nanoparticles. Nanocomposite mesoporous films embedding metal, oxide, and semiconductor nanoparticles have been prepared using as matrix oxides, mixed oxides, and organic-inorganic hybrids. The organization of the pores is an important peculiar property of mesoporous ordered films and allows producing nanocomposites whose nanoparticles follow a very specific array within the material. The main synthesis methods to obtain mesostructured films containing nanoparticles, together with their applications, are briefly introduced in the present review.     

Recent developments in CVD growth and applications of 2D transition metal dichalcogenides

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) with fascinating electronic energy band structures, rich valley physical properties and strong spin–orbit coupling have attracted tremendous interest, and show great potential in electronic, optoelectronic, spintronic and valleytronic fields. Stacking 2D TMDs have provided unprecedented opportunities for constructing artificial functional structures. Due to the low cost, high yield and industrial compatibility, chemical vapor deposition (CVD) is regarded as one of the most promising growth strategies to obtain high-quality and large-area 2D TMDs and heterostructures. Here, state-of-the-art strategies for preparing TMDs details of growth control and related heterostructures construction via CVD method are reviewed and discussed, including wafer-scale synthesis, phase transition, doping, alloy and stacking engineering. Meanwhile, recent progress on the application of multi-functional devices is highlighted based on 2D TMDs. Finally, challenges and prospects are proposed for the practical device applications of 2D TMDs.     

A chemical kinetic model for chemical vapor deposition of carbon nanotubes

Carbon nanotubes (CNTs) are classified among the most promising novel materials due to their exceptional physical properties. Still, optimal fabrication of carbon nanotubes involves a number of challenges. Whatever be the fabrication method, a process optimization can be evolved only on the basis of a good theoretical model to predict the parametric influences on the final product. The work reported here investigates the dependence of the deposition parameters on the controllable parameters for carbon nanotube growth during Chemical vapor deposition (CVD), through a chemical kinetic model. The theoretical model consisted of the design equations and the energy balance equations, based on the reaction kinetics, for the plug flow and the batch reactor, which simulate the CVD system. The numerical simulation code was developed in-house in a g++ environment. The results predicted the growth conditions for CNT: the deposition temperature, pressure and number of atoms, which were found to be influenced substantially by the initial controllable parameters namely the temperature, volumetric flow rate of the carbon precursor, and the reaction time. An experimental study was also conducted on a CVD system developed in the laboratory, to benchmark the computational results. The experimental results were found to agree well with the theoretical predictions obtained from the model.     

二维材料的转移方法

二维材料及其异质结在电子学、光电子学等领域具有潜在应用,是延续摩尔定律的候选电子材料.二维材料的转移对于物性测量与器件构筑至关重要.本文综述了一些具有代表性的转移方法,详细介绍了各个方法的操作步骤,并基于转移后样品表面清洁程度、转移所需时间以及操作难易等方面对各个转移方法进行了对比归纳.经典干、湿法转移技术是进行物理堆叠制备原子级平整且界面清晰范德瓦耳斯异质结的常用手段,结合惰性气体保护或在真空条件下操作还可以避免转移过程中二维材料破损和界面吸附.高效、无损大面积转移方法为二维材料异质结构建和材料本征物理化学性质测量提供了强有力的技术保障.转移技术的优化将进一步扩展二维材料在高温超导、拓扑绝缘体、低能耗器件、自旋谷极化、转角电子学和忆阻器等领域的研究.