华中大翟天佑教授团队《Adv. Mater.》：基于无机分子晶体的规模化范德华封装

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二维材料具有原子级厚度和优异的光电性能，但同时具有较大的比表面积和较差的环境稳定性。封装可有效提升光电子器件的稳定性与可靠性，然而传统的封装方法易影响二维材料的本征性能。范德华封装（封装层与二维材料通过范德华力结合）可维持二维材料的本征结构并与之形成洁净的接触界面，被认为是适合于二维材料光电子器件封装的优选方案。然而，一种工艺简单、可规模化且行之有效的范德华封装方法仍有待开发，这也是推动二维光电子器件走向实际应用的关键一环。
针对上述问题，华中科技大学翟天佑团队开发了一种与当前CMOS工艺相兼容的规模化范德华封装方法。相关成果以标题为“Scalable van der Waals encapsulation by inorganic molecular crystals”发表在Advanced materials期刊上。
实验通过热蒸镀法在二维光电子器件表面沉积了晶圆级致密均匀的氧化锑（Sb₂O₃）薄膜。利用Sb₂O₃独特的分子晶体结构，实现了封装层与二维材料之间的范德华接触，形成了洁净的接触界面。
以空气敏感性极高的二维黑磷为例进行的对照实验表明：经无机分子晶体薄膜封装后，二维光电子器件的本征性能保留的同时稳定性显著提升。二维黑磷纳米片的形貌在60天内几乎不变（裸露的黑磷纳米片在1天内破坏严重）。以其为基础构建的场效应晶体管的迁移率在19天内保持与初始值相当水平(未封装黑磷器件的迁移率在1天内降为初始值的10%）。此外，得益于Sb₂O₃薄膜与二维材料间的范德华接触，利用真空加热法可实现Sb₂O₃封装层从二维材料表面无损解封。该研究工作实现了晶圆级范德华无损封装与解封装，为光电子器件封装提供了一种新的思路，对二维光电子器件的发展与应用有重要的推动作用。 
图1. Sb₂O₃/BP纳米片的封装结构。（a）Sb₂O₃的晶体结构示意图。（b）Sb₂O₃封装与解封装过程示意图。（c）Sb₂O₃/BP封装结构的AFM图像。（d）沿图c中横线区的高度变化。（e）4英寸SiO₂/Si晶圆在裸露、封装、解封装状态下的照片。（f）Sb₂O₃分子吸附在单层BP上的典型构型与对应形成能。
  
图2. Sb₂O₃/BP封装结构的表征与模拟。（a）Sb₂O₃/BP封装结构的低倍截面TEM图像。（b）图a中蓝框区域的高倍TEM图像。（c）图a中红框区域的元素分布图像。（d）分子动力学模拟中Sb₂O₃分子在BP表面扩散过程的示意图。 
图3. Sb₂O₃/BP封装结构的稳定性表征。（a-b）裸露的BP纳米片的光学和AFM图像。（c-d）Sb₂O₃封装的BP纳米片的光学和AFM图像。（e-f）分别为沿图b, d中横线区的高度变化。（g）粗糙度随暴露时间的变化趋势。（h-i）裸露与Sb₂O₃封装的BP纳米片的拉曼图谱随暴露时间的变化趋势。（j）A_g²拉曼峰强度随暴露时间的变化趋势。 
图4. Sb₂O₃/BP封装结构的电学稳定性。（a）裸露与Sb₂O₃封装BP的能带结构。（b）单层BP与Sb₂O₃的能带匹配关系。（c）BP场效应晶体管经Sb₂O₃封装前后的转移特性曲线。（d-e）裸露与封装的BP场效应晶体管的转移特性曲线随暴露时间的变化。（f）裸露与封装的BP场效应晶体管的迁移率随暴露时间的变化。

图5. Sb₂O₃/C5N5 R-P钙钛矿封装结构的稳定性。（a）裸露的C5N5钙钛矿纳米片的光学图像。（b）Sb₂O₃封装的C5N5钙钛矿纳米片的光学图像。（c-d）裸露与封装的C5N5钙钛矿纳米片的PL光谱随暴露时间的变化。（e）裸露与封装的C5N5钙钛矿纳米片的PL强度随暴露时间的变化。
 
图6. Sb₂O₃的解封装。（a）Sb₂O₃封装层经真空加热的解封装过程。（b-d）裸露、封装、解封装的BP纳米片的光学和AFM图像。封装和解封装的BP场效应晶体管的光学图像（e）和转移特性曲线（f）。 

论文信息

Scalable van der Waals Encapsulation by Inorganic Molecular CrystalsLixin Liu, Penglai Gong, Kailang Liu, Anmin Nie, Zhongyuan Liu, Sanjun Yang, Yongshan Xu, Teng Liu, Yinghe Zhao, Li Huang, Huiqiao Li, Tianyou ZhaiAdv. Mater., 2021, 2106041. DOI: 10.1002/adma.202106041

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106041

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