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两项技术突破使高质量二维材料成为可能

导读 研究人员一直在寻求用性能更高、功耗更低同时具有可扩展性的材料来替代电子产品中的硅。一个国际团队正在通过开发一种有前途的工艺来满足这...

研究人员一直在寻求用性能更高、功耗更低同时具有可扩展性的材料来替代电子产品中的硅。一个国际团队正在通过开发一种有前途的工艺来满足这一需求,以开发可为下一代电子产品提供动力的高质量二维材料。

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院机械工程和材料科学助理教授Sang-Hoon Bae是领导 1 月 18 日发表在《自然》杂志上的多机构工作的三名研究人员之一,他的博士论文还包括学生 Justin S. Kim 和博士后研究员 Yuan Meng。

这项工作包括两项技术突破,是第一个报告他们生长半导体材料(称为过渡金属二硫化物(TMD))的方法将使设备更快并使用更少功率的方法。

该团队由麻省理工学院机械工程和材料科学与工程副教授 Jeehwan Kim 和成均馆信息与通信工程和电子与电气工程教授 Jin-Hong Park 共同领导大学,必须克服创造新材料的三个极其困难的挑战:确保晶圆级的单晶度;防止晶圆级生长过程中的不规则厚度;和晶圆级的垂直异质结构。

Bae 说 3D 材料要经过粗糙化和平滑化的过程才能成为表面均匀的材料。但是,二维材料不允许这个过程,导致表面不平整,很难有大尺寸、高质量、均匀的二维材料。

“我们设计了一种几何限制结构,有助于二维材料的动力学控制,从而解决高质量二维材料生长中的所有重大挑战,”Bae 说。“得益于便利的动力学控制,我们只需要在更短的生长时间内种植自定义种子。”

该团队通过逐层生长在晶圆级或大规模上展示单畴异质结 TMD,取得了另一项技术突破。为了限制原子核的生长,他们使用了由化合物制成的各种基质。这些衬底形成了一个物理屏障,阻止了横向外延的形成和强制的垂直生长。

“我们相信,我们的受限生长技术可以通过允许在晶圆级构建单域逐层异质结,将二维材料物理学中的所有伟大发现带到商业化水平,”Bae 说。

Bae 说,其他研究人员正在研究这种材料,尺寸非常小,只有几十到几百微米。

“我们扩大规模是因为我们可以通过大规模生产高质量材料来解决这个问题,”Bae 说。“我们的成就将为二维材料适应工业环境奠定坚实的基础。”

Kim KS、Lee D、Chang CS、Seo S、Hu Y、Cha S、Kim H、Shin J、Lee JH、Lee S、Kim JS、Kim KH、Suh JM、Meng Y、Park BI、Lee JH、Park HS , Kum HS, Jo MH, Yeom GY, Cho K, Park JH, Bae SH, Kim J. 通过几何限制的非外延单晶二维材料生长。自然,2023 年 1 月 18 日,DOI:10.1038/s41586-022-05524-0。

这项研究得到了英特尔的资助;DARPA(029584-00001 和 2018-JU-2776);和基础科学研究所 (IBS-R034-D1)。

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