中國學者實現二維原子晶體雙層垂直pn結大面積可控製備

集微網消息, 據湖南大學報到, 近年來, 二維層狀半導體由於其新奇的物理和結構性質, 顯示出具有應用於下一代電子與光電整合系統的極大潛能. 相較於單純的二維材料, 二維層狀材料的異質結由於具有原子層厚度的陡峭界面, 以及可調控的能帶排列結構, 更適合實現多功能的片上整合, 引起了廣泛關注. 然而, 現有的研究大多都停留在採用機械剝離再堆垛的方法得到垂直異質結, 而這種方法由於得到的異質結形狀尺寸不可控制, 極大地限制了其未來的應用發展. 相比較而言, 通過直接生長的方法得到的異質結具有形狀尺寸可控, 界面更加乾淨等優勢, 更加具有應用的潛力. 但是, 直接生長大尺寸高質量的二維原子層狀垂直異質結, 尤其是p-n異質結, 仍然是科學界的一大難題.

日前, 湖南大學微納資訊器件與系統研究中心潘安練教授領銜的納米光子材料與器件交叉研究團隊利用可控的化學氣相沉積技術, 首次實現了宏觀毫米尺寸的WSe2/SnS2垂直雙層p-n異質結的可控製作, 並實現了在高性能整合光電器件上的應用. 該成果是新型二維原子晶體光電研究領域的重要突破, 並以 'Van der Waals epitaxial growth and optoelectronics of large-scale WSe2/SnS2vertical bilayer p–n junctions' 為題在國際頂級期刊《自然•通訊》(Nature Communications, IF=12.124)發表, 論文第一作者為潘安練教授指導的博士生楊鐵鋒和鄭弼元.

在該項工作中, 研究者通過採用先進的兩步熱化學氣相沉積方法, 基於對生長過程的深刻理解, 實現了精細的大面積單層-單層可控生長, 得到了迄今為止最大的WSe2/SnS2垂直單晶雙層p-n異質結的製作, 異質結的橫向尺寸達到了毫米量級. 研究者還在這個大面積二維p-n異質結上, 設計構建了三種不同類型的器件, 通過表徵發現, parallel-series模式異質結器件顯示出很低的漏電流 (~10-14A) , 以及很高的晶體管開關比 (107) , 同時顯示出很好的光電響應特性, 多項性能優於已有報道的指標. 對520nm雷射的響應時間約為500微秒, 超過已報到的所有直接生長的垂直p-n異質結, 甚至優於大多數機械剝離轉移形成的異質結. 此外通過在同一個大尺寸二維異質結上實現了三種不同性能的器件, 在未來使用中可以根據具體使用需求選擇對應的器件, 實現了一定意義上的整合. 該項技術突破將為下一步新型二維材料在整合光電子器件和系統的構建奠定基礎.

該研究工作得到國家傑出青年基金, 國家自然科學基金和湖南省科技計劃重點項目等課題支援, 並得到上海技術物理所胡偉達團隊, 南京大學繆峰團隊和東南大學孫立濤團隊的支援.