Direct visualization of structural defects in 2D semiconductors

Direct visualization of the structural defects in two-dimensional (2D) semiconductors at a large scale plays a significant role in understanding their electrical/optical/magnetic properties, but is challenging. Although traditional atomic resolution imaging techniques, such as transmission electron microscopy and scanning tunneling microscopy, can directly image the structural defects, they provide only local-scale information and require complex setups. Here, we develop a simple, non-invasive wet etching method to directly visualize the structural defects in 2D semiconductors at a large scale, including both point defects and grain boundaries. Utilizing this method, we extract successfully the defects density in several different types of monolayer molybdenum disulfide samples, providing key insights into the device functions. Furthermore, the etching method we developed is anisotropic and tunable, opening up opportunities to obtain exotic edge states on demand.     

石墨烯封装单层二硫化钼的热稳定性研究

将单层二硫化钼用石墨烯进行封装，构造了石墨烯和二硫化钼的范德瓦耳斯异质结构，并且分别在氩气（Ar）和氢气（H₂）氛围下，详细研究了被封装的二硫化钼的热稳定性.结果表明：在氩气氛围中，石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直保持稳定，而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在1000℃时几乎全部分解；在氢气氛围中，石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直稳定存在，而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在800℃下已经完全分解.综上可得，在氩气和氢气的氛围下，被石墨烯封装的二硫化钼的热稳定性得到了显著的提高.该研究通过用石墨烯将单层的二硫化钼进行封装以提高其热稳定性，在未来以单层二硫化钼作为基础材料的电子器件中，可以保证其在高温下能够正常工作.该研究也为提高其他二维材料的热稳定性提供了一种可行的方法和思路.     

二硫化钼的电子能带结构和低温输运实验进展

二硫化钼是一种层状的过渡金属硫族化合物半导体,它在二维自旋电子学、谷电子学及光电子学领域有很多的应用.本综述以二硫化钼为代表,系统介绍其单层、双层及转角双层的堆垛和能带结构;介绍了转角双层莫尔超晶格的制备方法、以及低温电学输运方面的实验进展,例如超导和强关联现象;分析了转角过渡金属硫化物莫尔超晶格在优化接触和样品质量等方面存在的一些挑战,并展望该领域未来的发展.     

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.     

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...     

Precisely controlling the twist angle of epitaxial MoS2/graphene heterostructure by AFM tip manipulation

Two-dimensional (2D) moiré materials have attracted a lot of attention and opened a new research frontier of twistronics due to their novel physical properties. Although great progress has been achieved, the inability to precisely and reproducibly manipulate the twist angle hinders the further development of twistronics. Here, we demonstrated an atomic force microscope (AFM) tip manipulation method to control the interlayer twist angle of epitaxial MoS₂/graphene heterostructure with an ultra-high accuracy better than 0.1°. Furthermore, conductive AFM and spectroscopic characterizations were conducted to show the effects of the twist angle on moiré pattern wavelength, phonons and excitons. Our work provides a technique to precisely control the twist angle of 2D moiré materials, enabling the possibility to establish the phase diagrams of moiré physics with twist angle.     

一种新的纳米结构--管状石墨锥

文章作者利用微波等离子体辅助化学气相沉积的方法在铁针尖上合成了一种新的纳米结构，并称之为管状石墨锥．管状石墨锥在外形上由多面锥体组成，其内部是同心的圆柱形石墨层，其空心的直径为几个纳米到几十个纳米．这些管状石墨层从内到外地逐渐变短，从而使得它们呈现出锥形外观．锥的顶角一般为6-7度左右，锥的尖端只有几个纳米大小，而锥的底部可达到微米量级．值得注意的是，组成管状锥体的石墨层具有惟一的手性，都表现为锯齿型。     

石墨烯莫尔超晶格

石墨烯莫尔超晶格来源于六方氮化硼衬底对石墨烯的二维周期势调控. 由于这种外加的周期势对石墨烯能带具有显著的调制作用, 近年来引发了人们广泛的关注. 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 我们系统研究了基底调制下的莫尔超晶格以及相关的物理特性. 首先, 我们在电子端和空穴端都观测到了超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性. 在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应. 并且, 从朗道扇形图中, 可以清晰的看到磁场下形成的超晶格朗道能级. 此外, 利用红外光谱的方法研究了强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙. 在此基础上, 我们在380 meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 进一步研究表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子-电子相互作用引起的旋量势的重构.     

MgO-CaZrO3-ZrO2系含MgO复合陶瓷的结构与烧结性能

以烧结镁砂、单斜氧化锆和实验室预合成锆酸钙为原料,采用常压烧结法制备了MgO-CaZrO3-ZrO2系含MgO复合陶瓷,研究了ZrO2含量、CaZrO3含量及CaZrO3/ZrO2质量比对其复合陶瓷结构与烧结性能的影响.结果表明:高温下Zr4+、Ca2+、Mg2+离子的扩散、c-ZrO2(Zr0.875 Mg0.125 O1.875或Zr0.8 Mg0.2 O1.8)的形成及CaZrO3脱CaO分解等,是影响MgO-CaZrO3-ZrO2系含MgO复合陶瓷结构与烧结性能的重要因素;其中MgO-ZrO2复合陶瓷的断裂方式为穿晶断裂,MgO-CaZrO3复合陶瓷和MgO-CaZrO3-ZrO2复合陶瓷的断裂方式为以沿晶断裂为主的混合断裂,其复合陶瓷的烧结强度依次降低;当ZrO2含量为20wt;～40wt;、CaZrO3含量为10wt;～40wt;及CaZrO3/ZrO2质量比为6/1～5/2时可分别制得烧结性能较好的MgO-ZrO2、MgO-CaZrO3和MgO-CaZrO3-ZrO2复相陶瓷.     

Observation of quadratic magnetoresistance in twisted double bilayer graphene

Magnetoresistance ({MR}) provides rich information about Fermi surface, carrier scatterings, and exotic phases for a given electronic system. Here, we report a study of the magnetoresistance for the metallic states in twisted double bilayer graphene (TDBG). We observe quadratic magnetoresistance in both Moiré valence band (VB) and Moiré conduction band (CB). The scaling analysis shows validity of Kohler's rule in the Moiré valence band. On the other hand, the quadratic magnetoresistance appears near the halo structure in the Moiré conduction band, and it violates Kohler's rule, demonstrating the {MR} scaling related to band structure in TDBG. We also propose an alternative scaling near the halo structure. Further analysis implies that the observed quadratic magnetoresistance and alternative scaling in conduction band are related to the halo boundary. Our results may inspire investigation on {MR} in twisted 2D materials and provide new knowledge for {MR} study in condensed matter physics.