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采用藍寶石大面積生長2D材料的新工藝

文章來源：未知更新時間：2018-03-06 10:00:31

受石墨烯卓越特性的啟發(fā)，科學(xué)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(fā)現(xiàn)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(zhì)量的結(jié)晶二維材料是一個重大的挑戰(zhàn)。

據(jù)悉，最近，賓夕法尼亞州立大學(xué)和倫塞拉理工學(xué)院的合作成立的研究團隊開發(fā)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(lián)合會材料創(chuàng)新平臺主任、賓州材料科學(xué)和工程及電氣工程教授瓊•瑞德溫領(lǐng)導(dǎo)。

以氣源化學(xué)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(xué)，張笑天。

Redwing說：“到目前為止，大多數(shù)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(fā)出一種高效的器件制備技術(shù)，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(fā)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(jié)構(gòu)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(tài)。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(guān)鍵步驟是利用氣源化學(xué)氣相沉積精確控制島密度和擴散速率，實現(xiàn)了二維材料的單層化。

Redwing和她的團隊將她們的成果發(fā)表于雜志Nano Letters。而另一篇與其相近發(fā)表在雜志ACS Nano上的論文（由賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授Joshua Robinson領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組發(fā)表），為未來的工業(yè)規(guī)模電子學(xué)，基于外延大面積薄膜的器件制備合成2D半導(dǎo)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(zhì)量2D材料的外在因素；我們發(fā)現(xiàn)，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(guān)注的是，我們發(fā)現(xiàn)藍寶石基片和單層膜之間有著強烈的相互作用，基片主導(dǎo)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。”

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