清華新聞網(wǎng)12月1日電 以過(guò)渡金屬硫族化合物為代表的二維半導(dǎo)體因其原子級(jí)的厚度和優(yōu)越的電學(xué)性能，在集成電路等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，逐漸受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。例如，二硫化鉬（MoS2）作為其中最具代表性的一種二維半導(dǎo)體材料，由于兼具無(wú)表面懸掛鍵、高載流子遷移率、易于制備、柔性和平面易集成等特點(diǎn)，被視為后硅基時(shí)代延續(xù)摩爾定律的理想候選材料之一。然而，目前傳統(tǒng)方法所制備的二維半導(dǎo)體材料通常存在大量的點(diǎn)缺陷，這些缺陷作為載流子的散射中心，會(huì)大大降低器件的遷移率，從而導(dǎo)致電學(xué)性能的顯著下降。因此，發(fā)展高效制備高質(zhì)量、低缺陷密度二維半導(dǎo)體材料的方法是實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的前提。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種單原子硫源（S1）實(shí)現(xiàn)超高質(zhì)量單層MoS2生長(zhǎng)的策略。首先，團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算證實(shí)了S1作為一種高活性的硫源，能夠在生長(zhǎng)過(guò)程中顯著抑制MoS2中的硫缺陷。DFT計(jì)算和原位質(zhì)譜測(cè)試的結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)放電處理的硫化聚丙烯腈（SPAN）分子能夠高效選擇性地釋放S1。團(tuán)隊(duì)成員利用SPAN釋放的S1作為硫前驅(qū)體，成功生長(zhǎng)出了具有超高質(zhì)量的單層MoS2，其硫缺陷密度僅為約7×1012cm?2，是目前報(bào)道的質(zhì)量最高的樣品之一。此外，所得MoS2在室溫下展現(xiàn)出目前報(bào)道的最窄的光致發(fā)光半峰寬（約47.11meV），表明其具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。該工作不僅加深了對(duì)二維半導(dǎo)體生長(zhǎng)機(jī)理及缺陷抑制機(jī)制的理解，而且為二維半導(dǎo)體在電子學(xué)及光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的材料基礎(chǔ)。
圖1.不同硫源與MoS2中硫缺陷之間的吸附能分析
圖2.單原子硫的生成機(jī)制與驗(yàn)證
圖3.采用單原子硫源生長(zhǎng)超高質(zhì)量單層MoS2及其晶體質(zhì)量表征
圖4.采用單原子硫源生長(zhǎng)的單層MoS2的光學(xué)表征
相關(guān)研究成果近期以“單原子硫源實(shí)現(xiàn)超高質(zhì)量單層二硫化鉬的生長(zhǎng)”（Exclusive Generation of Single-Atom Sulfur for Ultrahigh Quality Monolayer MoS2Growth）為題，發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）上。
劉碧錄為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2022級(jí)碩士生張?jiān)坪篮筒┦亢笸踅?jīng)緯為論文共同第一作者，論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院鄒小龍副教授、周光敏副教授、吳沁柯博士等。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、深圳市科技計(jì)劃、清華大學(xué)水木清華學(xué)者計(jì)劃等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.4c10810
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
