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Abstrakt

Zweidimensionale seitliche komplizierte Struktur - Duan Xidong und Duan Xiangfeng

Duan Xidong und Duan Xiangfeng

Zweidimensionale Schichtmaterialien wie Garphen, MoS2 und WSe2 haben in jüngster Zeit als Halbleiter nach Si beträchtliches Interesse geweckt und sind zu einer wichtigen Materialplattform in der Festkörperphysik und der modernen Elektronik und Optoelektronik geworden. Die bisherigen Studien stützen sich jedoch im Allgemeinen auf mechanisch abgeblätterte Flocken, die immer auf einfache 2D-Materialien beschränkt sind, insbesondere können komplizierte laterale 2D-Strukturen nicht durch Abblätterungsstrategien hergestellt werden. Ähnlich wie bei der traditionellen Halbleitertechnik sind komplizierte Strukturen, wie die Kontrolle der räumlichen Verteilung der Zusammensetzung und der elektronischen Struktur von zweidimensionalem Halbleitermaterial, unverzichtbar für die Herstellung aller modernen elektronischen und optoelektronischen Geräte, einschließlich Transistoren, p???n-Dioden, Photovoltaik-/Photodetektionsgeräte, Leuchtdioden und Laserdioden. Und viele physikalische Phänomene können nur in komplizierteren Strukturen auftreten. Um das Potenzial dieser neuen Materialklasse voll auszuschöpfen, ist es notwendig, rationale Synthesestrategien für zweidimensionale laterale komplizierte Strukturen wie laterale Heterostrukturen, Multiheterostrukturen, Übergitter, Quantentöpfe usw. zu entwickeln. Mit einer relativ kleinen Gitterfehlanpassung (~4 %) zwischen MoS2 und MoSe2 oder WS2 und WSe2 ist es möglich, kohärente MoS2???MoSe2- und WS2???WSe2-Heterostrukturen durch einen lateralen epitaktischen Prozess herzustellen (Abb. 1a). Unsere Studien zeigen, dass einfaches sequentielles Wachstum oft nicht die gewünschten Heterostrukturen erzeugt, da die Kantenwachstumsfront nach Abschluss des ersten Wachstums und Einwirkung von Umgebungsbedingungen leicht passiviert werden kann. Für ein nachfolgendes laterales epitaktisches Wachstum ist es wichtig, eine frische, nicht passivierte Kantenwachstumsfront beizubehalten. Zu diesem Zweck haben wir einen thermischen CVD-Prozess entwickelt, der ein In-situ-Umschalten der Dampfphasenreaktanten ermöglicht, um laterales epitaktisches Wachstum von ein- oder mehrschichtigen lateralen TMD-Heterostrukturen zu ermöglichen. Wir haben diese Technik verwendet, um das Wachstum von zusammensetzungsmoduliertem MoS2??? zu realisieren.
 MoSe2- und WS2???WSe2-laterale Heterostrukturen. In Abb. 1 b, c, d, e ist die Bildung von WS2???WSe2-lateralen Heterostrukturen deutlich zu erkennen. Die WS2???WSe2-lateralen Heterostrukturen mit sowohl p- als auch n-Typ-Eigenschaften ermöglichen uns auch die Konstruktion vieler anderer funktionaler Geräte, beispielsweise eines CMOS-Inverters. Abb. 1g ist das optische Bild des Inverters, der unter Verwendung der WS2???WSe2-lateralen Heterostrukturen und der Kurven des Ausgangs-Eingangs und der Spannungsverstärkung konstruiert wurde. Die Spannungsverstärkung kann bis zu 24 betragen. In einem typischen sequentiellen Wachstumsprozess für laterale 2D-Heterostrukturen stellt der übermäßige thermische Abbau oder die unkontrollierte Keimbildung während der Temperaturschwankung zwischen den sequentiellen Wachstumsschritten das Haupthindernis für die zuverlässige Bildung von Monoschicht-Heterostrukturen oder anderen komplizierten lateralen Strukturen dar. Wir haben ein modifiziertes CVD-System entwickelt. Während der Temperaturschwankung zwischen aufeinanderfolgenden Wachstumsschritten verwendeten wir einen Rückfluss vom Substrat zur Quelle. Ein Vorwärtsfluss von der chemischen Dampfquelle wurde nur bei der exakten Wachstumstemperatur angewendet. Mit einem solchen Rückfluss werden die vorhandenen Monoschichtmaterialien bei den Temperatursteigerungs- und -senkungsschritten keinen hohen Temperaturen und keiner chemischen Dampfquelle ausgesetzt, um den thermischen Abbau zu minimieren und eine unkontrollierte homogene Keimbildung auszuschließen. Durch ein hohes Maß an Steuerbarkeit in jedem Schritt können Integrität und Qualität von Monoschicht-Heterostrukturen nach mehreren sequentiellen Wachstumsschritten gut bewahrt werden. Wir verwendeten unseren Ansatz zunächst für die allgemeine Synthese einer breiten Palette von 2D-Kristall-Heterostrukturen. Wir haben auch komplexere, in ihrer Zusammensetzung modulierte Übergitter oder Multiheterostrukturen gezüchtet, wobei die Anzahl der Perioden und der wiederholte Abstand während des Wachstums problemlos variiert werden können. Die HADDF-STEM-Analyse der Atomstruktur der lateralen Heterostrukturen und Multiheterostrukturen zeigt, dass die atomar scharfe Schnittstelle klar erkennbar ist.