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半导体学报2019年第6期——二维材料物理性质与光电器件专刊

半导体学报 半导体学报
二维材料物理性质与光电器件专刊

在Novoselov和Geim于2004年通过机械剥离方法成功地制备出石墨烯之后,二维材料的最新进展为延续摩尔定律提供了可能。为了弥补零带隙石墨烯的缺点,越来越多的具有一定带隙的二维材料(如过渡金属硫族化合物(TMDS,MX2)、黑磷(BP)和InSe材料等)被合成出来,并且在相关物理性质和器件研究方面也取得了重大进展,从而为延续摩尔定律提供了更大的希望。


《半导体学报》组织了一期“二维材料物理性质与光电器件”专刊,并邀请中国科学院半导体研究所谭平恒研究员、吉林大学张立军教授、北京大学戴伦教授和清华大学周树云教授共同担任特约编辑。该专刊已于2019年第6期正式出版并可在线阅读,欢迎关注。


该专刊包含了6篇原创研究文章,研究内容包括Mo1-xWxSe2金的基底和层间耦合效应的新结果、石墨烯上抗氧化硅质薄片和Si纳米结构的生长、原子级薄AuSe的能带结构和光学性质、双层碲烯-金属界面等。本期专刊还包括3篇关于新兴二维材料研究的综述文章,综述了在各向异性材料、原子级薄α-In2Se3和聚合物辅助沉积的大面积二维材料等方面的研究进展。本专刊将会有力地推动二维材料研究的快速发展。


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1. 二维各向异性材料的光学和电学性质


二维材料因其卓越的物理光电性质受到广泛关注。近些年来,科研工作者们发现了二维材料的一种特殊的性质——面内各项异性。其各向异性主要表现在材料的光学和电学性质在平面内的角度依赖性。


在最近的一篇综述论文中,来自中国科学院半导体研究所的魏钟鸣课题组和谭平恒课题组,从材料的结构,拉曼光谱和光电性质三个方面,系统的总结了目前研究前沿的二维各向异性材料。文章中主要对黑砷(B-As)、黑磷(B-P)、砷化锗(GeAs)、锡化亚锗(GeSe)、三硫化钛(TiS3)、硒化铼(ReSe2)和KP15等材料的各向异性进行了详细的分析。其晶体结构如下图所示。具有面内各向异性的材料均有低对称性的晶体结构。


图1. 二维各向异性材料的晶体结构,包括:(a)正交晶系的黑As;(b)正交晶系的黑P;(c)单斜晶系的GeAs;(d)正交晶系的GeSe;(e)三斜晶系的KP15;(f)单斜晶系的TiS3;(g)三斜晶系的ReSe2


在目前的研究进展中,黑磷的各向异性是最强的。在1550 nm 的偏振光照射下,二向色性比高达8.7。与黑磷有着相同晶体结构的二维材料黑砷也展现出了优良的面内各向异性性质,其电导的各向异性比高达6.7。以黑磷、黑砷为开创性的结构模型,研究者们发现了越来越多具有各向异性的二维材料。同时人们仍在不断探索更稳定、各向异性更强的二维材料。各向异性材料在光探测和新概念器件上有很大的应用潜能。相信在科研人员的共同努力下,二维各向异性材料终将会应用到我们的生活中,使生活更加丰富多彩。


Optical and electrical properties of two-dimensional anisotropic materials  

Ziqi Zhou, Yu Cui, Ping-Heng Tan, Xuelu Liu and Zhongming Wei

J. Semicond. 2019, 40(6), 061001

doi: 10.1088/1674-4926/40/6/061001

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2. 原子级的薄α-In2Se3:一种新兴的二维室温铁电半导体


铁电体从发现至今已有近百年研究历史,由于其独特的物理性质与丰富的器件应用始终吸引着众多研究者的广泛关注。然而,由于传统铁电材料的临界尺寸效应,二维铁电物性的研究迟滞不前,微纳铁电器件的发展也受到了极大的制约。近年来,研究人员发现,在二维范德华层状材料中,可控的铁电极化能稳定存在于室温大气环境下,从而能够在二维极限厚度上实现二维铁电性,为超薄铁电器件的制备与研究提供了材料基础。


中国科学院强耦合量子物理重点实验室曾华凌教授综述了近年来二维铁电物性研究的相关进展,重点介绍了近期二维α-In2Se3中室温铁电性的理论预测、实验验证及器件演示。室温下稳定存在的二维α-In2Se3铁电体,有希望突破传统铁电材料所面临的尺寸瓶颈,有助于进一步在二维极限下研究铁电极化、铁电畴结构以及进而设计微纳铁电器件。此外,α-In2Se3面内-面外方向铁电极化锁定的独特性质,也为利用面内方向电场进行面外方向电极化的正交调控提供了机会。


图. 基于少层α-In2Se3的二维非易失铁电存储器


Atomically thin α-In2Se3: an emergent two-dimensional room temperature ferroelectric semiconductor

Yue Li, Ming Gong and Hualing Zeng

J. Semicond. 2019, 40(6), 061002

doi: 10.1088/1674-4926/40/6/061002

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3. 聚合物辅助沉积的大尺寸二维材料的合成、性能及应用


自从2004年成功剥离了单层石墨烯,揭示了二维材料具有优良的物理性能。这些新奇的性能激励了许多基础研究和众多应用领域,诸如:电子学,光子学,压电学和自旋电子学。与传统的实验方法相比,聚合物辅助沉积法(PAD)具有低成本,大面积,易掺杂和保形涂层等优点。同时聚合物辅助沉积法制备出来的材料,已经成功应用于柔性透明电路,光电探测器和基于褶皱的器件。


西安交通大学理学院张磊教授和清华大学材料科学与工程学院刘锴教授综述了近年来在二维材料合成中PAD的研究进展。首先,介绍了PAD的原理和工艺步骤。其次,介绍了二维材料包括石墨烯、MoS2和MoS2/玻璃状石墨烯异质结构等以证明PAD的重要性,并为读者提供评估该方法的机会。最后,讨论了该领域未来的发展前景和面临的挑战。本文提出了一种制备二维层状材料的新技术,并对二维层状材料的新应用具有一定的启发意义。


图2. 聚合物辅助沉积方法生长薄膜的应用。


Synthesis, properties, and applications of large-scale two-dimensional materials by polymer-assisted deposition

Hongtao Ren, Yachao Liu, Lei Zhang and Kai Liu

J. Semicond. 2019, 40(6), 061003

doi: 10.1088/1674-4926/40/6/061003

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4. 石墨烯上生长薄层抗氧化晶体硅纳米结构


North Carolina大学电气与计算机工程系张勇教授报道了石墨烯基板上Si纳米结构薄膜以及纳米颗粒的生长。通过观察在520 cm-1附近波长单晶Si拉曼模式,结合在周围环境条件下有序表面结构的STM图像以及其与石墨形成的肖特基结,可以发现生长出的Si纳米结构为单晶结构,且这种结构在空气中稳定性好并可以抗氧化。超薄硅区域表现出了类似硅烯的行为特征,包括在550 cm-1附近的拉曼模式、STM图像中具有与石墨烯或更厚的Si明显不同晶格间距的三角形晶格结构、金属电导率比石墨高出500倍等。本文提出了一种自下而上在大规模石墨烯衬底上生长Si纳米结构阵列的方法,采用这种方法制成的衬底可用于生产纳米级Si电子器件。


图1. 石墨衬底上外延Si的SEM图像。(a)和(b)为S1上的两个区域;(c)和(d)为S2上的两个区域。


Growth of oxidation-resistive silicene-like thin flakes and Si nanostructures on graphene

Naili Yue, Joshua Myers, Liqin Su, Wentao Wang, Fude Liu, Raphael Tsu, Yan Zhuang and Yong Zhang

J. Semicond. 2019, 40(6), 062001

doi: 10.1088/1674-4926/40/6/062001

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5. 用Dirac-like方程和Schrödinger方程计算的石墨烯纳米带隧道场效应晶体管中隧道电流的比较


印度尼西亚Pendidikan大学电子材料研究部物理系Endi Suhendi教授对石墨烯纳米带隧道场效应晶体管(GNR-TFET)中的隧穿电流进行了量子力学建模。基于Dirac-like方程和Schrödinger方程的计算,比较了GNR-TFET中的隧道电流。本文采用数值方法即转移矩阵法(TMM)计算电子透射率,并使用Launder公式计算隧道电流。结果表明,相同的参数下使用两个方程计算的隧道电流即使数值不同,但仍具有相似的特征。文中应用Dirac-like方程计算的隧道电流值低于使用Schrödinger方程计算的隧道电流。


图3. (a)Schrödinger和Dirac-like方程计算得不同氧化层厚度下的隧道电流随漏极电压的变化曲线;(b)Dirac-like方程计算得不同氧化层厚度下隧道电流随漏极电压的变化曲线。


Comparison of tunneling currents in graphene nanoribbon tunnel field effect transistors calculated using Dirac-like equation and Schrödinger's equation

Endi Suhendi, Lilik Hasanah, Dadi Rusdiana, Fatimah A. Noor, Neny Kurniasih and Khairurrijal

J. Semicond. 2019, 40(6), 062002

doi: 10.1088/1674-4926/40/6/062002

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6. 双层锑稀-金属界面


场效应晶体管作为现代大规模集成电路中非常重要的电子元件,在集成电路存储器和传感器等现代电子应用中有非常广泛的应用。日新月异的电子产品行业发展也迫使行业对电路性能、晶体管的集成尺寸提出了更高的要求。二维半导体作为一种非常可靠的沟道材料选择,其超薄的厚度能够规避简单缩小器件尺寸带来的短沟道效应。除此之外,二维半导体的表面平整,没有缺陷态或悬挂键,可以抑制粗糙表面带来的散射并且提高载流子迁移率。基此二维半导体材料作为晶体管沟道的输运性质就变得非常重要。由于缺少可行的手段,实验上通常将二维半导体与金属接触以达到掺杂状态。然而,两者接触面处通常会形成肖特基势垒,阻碍载流子的移动。


碲稀是一种具有高载流子迁移率、高开关比和优异的空气稳定性的二维半导体材料,北京大学物理学院吕劲教授通过第一性原理模拟计算对双层碲稀-金属电极的界面性质做出有效的计算,并为实验上基于双层碲稀晶体管的金属电极选择提供参考。


图7. (a)基于功函数近似(Φe/hL,W)和量子输运模拟(Φe/hL,T)方法得到的BL碲烯场效应晶体管的电子和空穴SBH的比较;(b)横向SBH与电极材料功函数的关系图。蓝线和粉线分别表示用于功函数近似和量子输运模拟得电子SBH的拟合线。粉色透明椭圆表示在量子输运计算中可以克服体金属电极电子SBH的最小椭圆面积;(c)BL碲烯晶体管中费米能级钉扎(FLP)示意图。


Bilayer tellurene–metal interfaces

Hua Pang, Jiahuan Yan, Jie Yang, Shiqi Liu, Yuanyuan Pan, Xiuying Zhang, Bowen Shi, Hao Tang, Jinbo Yang, Qihang Liu, Lianqiang Xu, Yangyang Wang and Jing Lv

J. Semicond. 2019, 40(6), 062003

doi: 10.1088/1674-4926/40/6/062003

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7. 原子级薄层AuSe的电子能带结构和光学性质:第一原理计算


通过分离范德华层状晶体制备新型二维单层或多层材料,二维新材料家族在近十年来被不断扩大。它们拥有许多常规块体材料所不具有的新奇性质,这主要得益于纳米尺度所特有的量子限域效应及表面效应。例如具有高载流子迁移率的二维半导体黑磷,非常有望作为新一代FET沟道材料以解决目前低于10 nm制程的集成电路中明显的短沟道效应。又比如过渡族金属硫化合物(TMDCs),自从具有高开关比的二维MoS2被报道后它们就作为一个大家族吸引着广大研究者的研究兴趣。然而这些材料都很不凑巧地存在一些致命的缺陷——黑磷在空气中会迅速分解,而MoS2的载流子迁移率过低。


因此,人们依然处于不断搜寻的进程中,以期获得具有合适性能的新型二维材料。在此过程中,过渡族金属硫化物的金属元素与硫元素计量比被发现不必拘束于常规的1:2的形式,同时过渡族金属也不仅限于常见的Mo与W,这将成为扩展这一家族的又一新途径。沿着这一思路出发,南京理工大学材料科学与工程学院曾海波教授发现了具有范德华层状结构的贵金属硒化物AuSe,它的二维形式是具有独特几何结构的单层晶体。计算结果表明这种新型二维材料是一种禁带宽度为2.0 eV的间接带隙半导体,具有良好的动力及热力学稳定性。这种新材料的吸收光谱仿真结果表明它对深紫外波段的入射光具有高吸收率,意味着这种新型二维半导体对深紫外光具有较高的响应度。研究结果预示二维AuSe有潜力被应用在日盲型光电探测相关领域,也为对它进一步的应用发掘提供了理论依据。


图1. (a)2×2×1超大单元的体AuSe结构;(b)俯视图下二维AuSe结构;(c)侧视图下二维AuSe结构;(d)单层AuSe和黑P的解理能。


Electronic band structures and optical properties of atomically thin AuSe: first-principle calculations

Pengxiang Bai, Shiying Guo, Shengli Zhang, Hengze Qu, Wenhan Zhou and Haibo Zeng

J. Semicond. 2019, 40(6), 062004

doi: 10.1088/1674-4926/40/6/062004

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8. Mo1-xWxSe2合金的衬底和层间耦合效应


二维(2D)过渡金属硫属化物合金材料的带隙可通过调节成分控制,使其在光电探测器方面有着潜在的应用。带隙工程的研究对于2D材料在器件中的应用非常重要。


华东师范大学电子工程系多维信息处理上海重点实验室吴幸教授利用化学气相沉积(CVD)方法在云母、蓝宝石和SiO2/Si衬底上生长了Mo1-xWxSe2合金,首次成功的利用CVD方法在云母衬底上合成Mo1-xWxSe2合金。利用光致发光(PL)光谱仪技术研究衬底和层间耦合效应对所制备的Mo1-xWxSe2合金光学带隙的影响,发现所使用的衬底对所制备的Mo1-xWxSe2的光学带隙影响较小,层间耦合效应对所制备的Mo1-xWxSe2光学带隙的影响大于衬底效应。这些研究结果为今后研究二维合金材料的生长和物理性质提供了新的途径。

图 Mo1-xWxSe2合金在SiO2/Si、云母和蓝宝石衬底上的PL光谱


Substrates and interlayer coupling effects on Mo1-xWxSe2 alloys

Fang Liang, Hejun Xu, Zuoyuan Dong, Yafeng Xie, Chen Luo, Yin Xia, Jian Zhang, Jun Wang and Xing Wu

J. Semicond. 2019, 40(6), 062005

doi: 10.1088/1674-4926/40/6/062005

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9. 混合纳米结构中磁偶极子共振对石墨烯的宽带宽吸收


石墨烯由于具有优越的电学、力学、光学特性,因此其自被发现后一直是科研的研究热点。提高石墨烯吸收效率是研究热点之一,由于石墨烯仅有一个原子层的厚度,所以其在可见光和近红外波段吸收效率仅有2.3%,这严重限制其在太阳能电池和光电探测器上的应用。为此许多科研工作者提出不同的方法以提高石墨烯的吸收效率,但是可以发现他们仅仅在很窄的波段内提高石墨烯的吸收效率,并没有实现石墨烯宽波段高吸收效率。


衢州理工学院信息工程学院江孝伟教授提出利用混合纳米结构实现在提高石墨烯吸收效率的同时具有宽吸收带宽,具体结构如下图所示,石墨烯夹杂在Ag光栅和二氧化硅之间。在该混合纳米结构中,三个光栅条具有不同的宽度,因此三个不同的光栅条可以激发出不同的磁激元共振,经过研究发现,通过调整三个光栅条之间的距离,可以使三个不同的磁激元共振叠加,从而实现石墨烯的宽吸收带宽,经过模拟计算可得,该混合纳米结构可以实现311 nm的吸收带宽(吸收效率大于30%)。基于本文提出的混合纳米结构,可以进一步的加快石墨烯在太阳能电池上的应用。

图1. 文中提出的可以扩大石墨烯吸收带宽的混合纳米结构。


Broadband absorption of graphene from magnetic dipole resonances in hybrid nanostructure

Xiaowei Jiang

J. Semicond. 2019, 40(6),  062006

doi: 10.1088/1674-4926/40/6/062006

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