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二維原子晶體銻烯研究取得進(jìn)展

發(fā)布日期:2018/1/5 16:33:30

未來信息技術(shù)需要低功耗、高性能的晶體管,國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖描繪的未來晶體管通道長度小于10納米。近年來的研究熱點(diǎn)之一二維(2D)原子晶體材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比,具有散射小、遷移率高、便于制備疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)易于調(diào)控等特性,成為制作未來晶體管的優(yōu)秀候選材料之一。在已發(fā)現(xiàn)的二維原子晶體材料中,由元素周期表中IV族元素構(gòu)成的單層材料(例如石墨烯,硅烯,鍺烯和錫烯等)具有高載流子遷移率,但由于其帶隙為零或趨近于零,限制了它們在場效應(yīng)晶體管等電子學(xué)器件中的應(yīng)用前景。
相比之下,由元素周期表中V族元素構(gòu)成的層狀材料,例如黑磷,具有較大的帶隙以及高的載流子遷移率等特性。然而,黑磷在大氣條件下不穩(wěn)定,由它制備的器件的適用性受到限制。最近,V族元素銻構(gòu)成的單層銻烯(antimonene)引起了研究者的極大興趣。已有理論預(yù)測銻烯的帶隙隨層厚的改變而變化,特別對于單層銻烯,理論預(yù)言其帶隙為2.28eV。同時(shí),與石墨烯相比,銻烯具有更高的載流子遷移率?;谶@些特性,銻烯在相關(guān)電子器件和光電子器件領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。因此,如何獲得這種材料,特別是高質(zhì)量的單層銻烯生長備受關(guān)注。
中國科學(xué)院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員高鴻鈞領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì),多年來致力于新型二維晶體材料的制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)研究,取得了一系列研究成果。近日,該研究組博士生武旭、邵巖和研究員王業(yè)亮等,制備了單層銻烯,并對其結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了研究。在光電子能譜分析方面,該研究團(tuán)隊(duì)與北京同步輻射中心的副研究員王嘉鷗等合作;在理論計(jì)算方面,他們與物理所副研究員孫家濤等合作;所使用的二碲化鈀(PdTe2)單晶襯底由物理所研究員石友國等提供。
在具體的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過程中,科研人員考慮到層狀的過渡金屬二硫?qū)僮寤衔铮ê喎QTMD)PdTe2表面化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,同時(shí)具有六方對稱性,晶格周期(4.10 ?)與銻單晶層內(nèi)的周期(4.12 ?)晶格匹配,與理論預(yù)言的單層銻烯(周期4.01 ?)的晶格失配度也只有2.3 %。因此,他們選用PdTe2作為襯底,利用分子束外延生長方法,獲得了高質(zhì)量單層銻烯。借助低能電子衍射(LEED)和掃描隧道顯微技術(shù)(STM)等手段,對所生長的單層銻烯的精細(xì)原子排布結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,從STM圖可以清晰地分辨出銻原子形成了六角蜂窩狀結(jié)構(gòu),為銻烯;LEED實(shí)驗(yàn)證明,他們獲得了大面積、高質(zhì)量的銻烯單晶(圖1)。結(jié)合X射線光電子能譜實(shí)驗(yàn)和電子局域函數(shù)理論計(jì)算結(jié)果,揭示了單層銻烯和基底之間局域電子態(tài)很少,只有弱的范德瓦爾斯相互作用(圖2、圖3)。進(jìn)一步的STM和XPS實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果表明(圖4),單層銻烯在空氣中具有高的化學(xué)穩(wěn)定性,暴露空氣后沒有被氧化,這一特性對于銻烯進(jìn)一步走向?qū)嶋H應(yīng)用至關(guān)重要。
該工作提供了一種制備高品質(zhì)單層銻烯的方法,也提供了一種制備具有原子級平整界面的二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新思路,即直接利用TMD材料作為襯底外延生長單層二維原子晶體材料,為二維材料異質(zhì)結(jié)器件的研究提供了有價(jià)值的參考。同時(shí),銻烯作為類石墨烯結(jié)構(gòu)的新型二維原子晶體材料,拓展了非碳基二維蜂窩狀晶體材料的研究領(lǐng)域,而且它具有寬帶隙、高遷移率的特點(diǎn),在大氣環(huán)境下穩(wěn)定,在未來電子器件方面具有潛在的應(yīng)用前景。
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials上。該項(xiàng)研究獲得了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院的支持。(來源:中國科學(xué)院物理研究所)
圖1.外延生長的單原子層銻烯。PdTe2表面生長單層銻烯示意圖(a),大范圍STM圖像和LEED衍射斑點(diǎn)(b),原子分辨STM圖(c)及對應(yīng)的側(cè)向切面圖(e, f),和原子結(jié)構(gòu)頂視圖和側(cè)視圖(d)。
圖2.PdTe2表面單層銻烯的原子結(jié)構(gòu)模型(a,d),相應(yīng)STM模擬圖像(b),實(shí)驗(yàn)圖像(c),電子局域函數(shù)頂視圖和切面圖(e,f)。
圖3.PdTe2襯底表面生長單層銻烯前后Pd和Te元素的XPS測量結(jié)果(a,b),單層銻烯中Sb元素的XPS測量結(jié)果(c),表明襯底與單層銻烯之間幾乎沒有電荷轉(zhuǎn)移。
圖4.單層銻烯化學(xué)穩(wěn)定性測試。STM(a,b,c)與XPS(d)綜合實(shí)驗(yàn)表明,單層銻烯在暴露空氣后沒有變化,表現(xiàn)出優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。

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