段曦东课题组Nature：二维异质结构阵列的通用合成方法

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湖南大学化学化工学院段曦东和美国加州大学洛杉矶分校段镶锋作为共同通讯作者，合作报道了一种可利用金属性过渡金属硫化物和半导体性过渡金属硫化物制备二维范德瓦尔斯异质结构阵列的通用合成方法，相关研究成果以题为“General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays”的文章在线发表在《Nature》上。湖南大学二维材料湖南省重点实验室段曦东课题组的博士生李佳、杨向东，加州大学洛杉矶分校博士生刘旸，香港理工大学生物科技应用系的黄勃龙教授是论文的共同第一作者。

       二维材料的应用前景非常广阔，二维原子晶体由于超薄、免疫短沟道效应等特性成为后摩尔时代半导体材料的领跑者，发展机遇二维材料的晶体管和集成电路可能是我国解决“芯片”领域“卡脖子”问题，实现我国“芯片”领域弯道超车的一个关键契机。然而二维原子晶体面向电子、光电子实际应用需要实现器件的功能化和集成化，面临一个高效、无损、可规模化材料集成的挑战。要实现二原子晶体在工业应用中的集成化和功能化，大规模的异质结阵列化是一种非常可行的方案。然而如何大幅提高二维原子晶体范德瓦尔斯异质结构的产量、实现异质结阵列化一直是阻碍其发展的主要困难之一。目前，制备二维范德瓦尔斯异质结构的主要方法依然是微机械剥离，这是一种无法有效提高产量的合成手段，更加难以实现面向集成电路的阵列化。
       该研究成果开发了用激光烧蚀等技术在二维半导体原子晶体基底上定点制造缺陷阵列，金属纳米片在这些缺陷点成核能垒低，优先成核。控制超薄金属的生长条件，最终形成可控的超薄材料/原子级厚度半导体异质结阵列。这种策略适用于各种不同材料，不限于特定化学组成或晶格结构。作为演示，研究人员利用原子精确的，接近理想的范德华界面制造出各种二维范德华异质结，包括VSe2/WSe2，NiTe2 / WSe2，CoTe2/ WSe2，NbTe2 / WSe2，VS2 / WSe2，VSe2/ MoS2和VSe2 / WS2。生长在二维半导体上的二维金属性过渡金属硫化物均具有可设计的周期性排列特点和可在指定区域进行调控的横向尺寸，最终可以晶体管的沟道尺寸和调节电路的形态。

二维半导体有着超薄、对环境高度敏感的特性。因此在用传统热蒸发方式制备器件中的金属电极时容易损坏原子级薄的半导体沟道材料。研究人员用二维金属材料作为电极材料，用气相沉积合成二维金属纳米片/二维半导体垂直异质结阵列，获得良好的范德华电极-半导体界面。大量的原子结构表征表明合成的范德瓦尔斯异质结具有原子清晰、接近理想的范德瓦尔斯界面，轮廓分明的摩尔超晶格结构和广泛可调的摩尔超晶格周期尺寸。利用这种范德华接触制备的双层硒化钨场效应晶体管在沟道长度为1.8 μm时，开态电流高达900 μA/μm，这是在所有的已报道的单层或者双层过渡金属二硫族化合物室温半导体器件中是最大的，为制备可与硅晶体管竞争的二维材料晶体管带来了希望。测定得到双层WSe2沟道场效应晶体管的半导体载流子迁移率达到137 cm2V−1s−1，而且分布很窄。这清楚地表明制备的范德华异质结能在原子级厚度的二维新型半导体上形成高质量的电接触。同时研究人员在连续MoS2单层膜上制备了大规模VSe2/MoS2垂直异质结阵列（＞12,000个），良率达~99%。实现了二维范德华金属/半导体垂直异质结阵列的规模化。研究成果为高性能新型器件的量产化提供了新的思路，为二维材料的发展，特别是在电子学、光电子学领域的应用奠定了坚实的基础。
       此外，用二维材料构建传统材料所不能够的莫里超晶格对于探索一些基本的物理性质，包括电子学的、光电子学的、自旋电子学的及超导等性质非常重要。而目前的莫里超晶格的构键主要依赖于机械堆叠法，不仅产率低，而且极难控制。该工作提高了规模制备各种二维垂直异质结阵列的能力，可以构建各种可调的莫里晶格，为一些基本物理的探索和新型特殊功能的器件构建提供了物质基础。

文献链接：
       https://www.nature.com/articles/s41586-020-2098-y General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays（Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2098-y）

      文章来源：湖南大学
      段曦东，湖南大学教授，1993年本科毕业于湖南大学化学化工系，博士毕业于湖南大学化学化工学院。段曦东教授从事二维材料制备、光电性质和先进光电功能器件研究，已以第一作者和通讯作者在包括Science、Nat. Nanotech, Nano. Lett.和Chem. Soc. Rev.等期刊上发表论文十多篇。代表性的学术成果包括：1)通过精确调控二维材料的化学成分和电子结构，在国际上率先制备出了具有原子级厚度的二维材料横向异质结；并成功示范了其在光电检测、光伏效应和反相器方面的应用(Nat. Nanotech 2014)。2)通过精确调控二维合金材料的成分，合成了具有可调带隙的二维半导体合金WS2-2xSe2x，并示范了其在先进光电功能器件方面的应用 (Nano. Lett. 2016)。3) 以所发表的二维材料工作为基础，撰写了二维材料研究进展综述一篇 (Chem. Soc. Rev. 2015)。4) 和段镶锋教授合作，实现了2D异质节、多异质节以及超晶格的可控外延生长（Science 2017），这是以湖南大学为第一作者和第一单位发表的首篇Science 论文。