Группа профессора Ван Синжаня из Нанкинского университета: новый прогресс в регулировании двумерного стекирования полупроводников на уровне пластины
2025-07-22
9 июля 2025 года исследовательская группа профессора Ван Синжань из Нанкинского университета опубликовала в журнале Nature Materials онлайн-научную статью под названием «Гомоэпитаксиальный рост крупноразмерных ромбоэдрических структур MoS₂». В результатах исследования описан гомоэпитаксиальный рост ромбоэдрической фазы (3R-фазы) дисульфида молибдена (MoS₂) на уровне пластины, а также продемонстрированы возможности применения сегнетоэлектрических устройств и накопителей. Это достижение знаменует собой важный новый прогресс в области контролируемого получения двумерных материалов, открывающий новые возможности для многофункциональной гетерогенной интеграции двумерных материалов. Соавтором статьи является профессор Ван Синжань, а соавторами – доктор Лю Лэй, доцент Ли Таотао, доктор Гун Сяошу и доктор Вэнь Хэнди.
Двумерные полупроводники стали важным материалом-кандидатом для продолжения закона Мура и создания трехмерных интегральных схем в посткремниевую эпоху из-за их толщины на атомном уровне, высокой подвижности и совместимости с трехмерной интеграцией. Исследовательская группа профессора Ван Синжаня долгое время занималась контролируемым ростом двумерных халькогенидов переходных металлов (TMDC) и достигла ряда результатов в области управления ориентацией в плоскости, управления числом слоев и управления укладкой: создала теорию направленного эпитаксиального роста TMDC, раскрыла механизм зародышеобразования TMDC, вызванного атомными ступенями на поверхности сапфировой подложки, установила направленные эпитаксиальные соотношения и впервые в мире преодолела эпитаксиальную подготовку двумерных полупроводниковых монокристаллов на уровне пластины (Nature Nanotech., 16, 1201 (2021)); предложил идею регулирования количества зародышевых слоёв высотой ступени, прорыв в технологии точного управления слоёв TMDC и впервые получил однородный двухслойный MoS2 большой площади (Nature, 605, 69 (2022)). В этой работе были достигнуты дальнейшие прорывы в управлении стекированием двумерных полупроводников и достигнуто контролируемое получение 3R-слоёв MoS2, что открыло новое направление исследований в области регулирования физических свойств и разработки устройств.
В двумерных материалах так называемое «стекирование» относится к расположению атомных слоёв. Если рассматривать слой MoS₂ как лист бумаги, то такое сложение подобно стопке бумаги, которую можно складывать под разными углами поворота или разными способами скольжения. Различные методы сложения изменяют взаимное расположение атомов, что существенно влияет на электронную структуру и физические свойства материала в наномасштабе. «Магический угол» (т.е. малый угол поворота между слоями), привлекающий большое внимание в последние годы, считается особой искусственно созданной формой стекирования. В природе существуют две наиболее распространённые формы стекирования MoS₂: гексагональная фаза (2H) и ромбоэдрическая фаза (3R). Последняя, благодаря отсутствию центральной симметрии, демонстрирует превосходные нелинейные оптические, долинные и сегнетоэлектрические свойства и особенно подходит для создания новых устройств памяти и оптоэлектроники. Однако, поскольку структуры 2H и 3R практически одинаково стабильны в термодинамике, сложно строго контролировать метод укладки в процессе роста, что является одной из основных проблем в области получения двумерных материалов.
Для решения этой проблемы исследовательская группа использовала стратегию гомогенной эпитаксии. Используя высококачественный однослойный монокристаллический MoS₂ в качестве эпитаксиальной подложки и точно контролируя концентрацию прекурсоров переходных металлов, они успешно изготовили многослойные пластины MoS₂ с чистой 3R-фазой (рис. 1). С помощью технологии распознавания изображений на основе искусственного интеллекта была автоматически идентифицирована и статистически проанализирована структура укладки, подтвердившая, что доля 3R-фазы близка к 100%.
Рисунок 1: Многослойный ромбоэдрический MoS₂ на уровне пластины.
Чтобы дополнительно раскрыть механизм селективного формирования 3R-фазы, исследовательская группа провела теоретические расчеты в сотрудничестве с группой профессора Ван Цзиньланя из Юго-Восточного университета. Результаты показывают, что замещение дефектов S на Mo (MoS) в дефектах кристалла может значительно увеличить разницу энергий формирования между двумя стеками с 1 мэВ/MoS2 до 75 мэВ/MoS₂. Экспериментально группа сосредоточилась на начальной стадии зародышеобразования и использовала высокоразрешающий STEM для наблюдения кластеров <10 нм, подтверждая стимулирование дефектов MoS при селективном росте 3R (рисунок 2). Основываясь на перекрестной проверке теории и эксперимента, группа предложила механизм роста, в котором дефекты при гомоэпитаксиальном росте способствуют селективному зародышеобразованию. Предложение этой теории дает новый механизм и идею для структурного регулирования двумерных материалов и приносит новые прорывы и надежды для исследований в этой области.
Рисунок 2: Механизм роста ромбоэдрического MoS₂.
Кроме того, в этой работе также были детально изучены скользящие сегнетоэлектрические свойства, проявляемые 3R-MoS₂ (рис. 3). В эксперименте использовалась пьезоэлектрическая силовая микроскопия (ПСМ) для чёткого наблюдения сегнетоэлектрических доменов и очевидных кривых гистерезиса пьезоэлектрического отклика, а также был создан сверхтонкий массив сегнетоэлектрических транзисторов с двухслойным 3R-MoS₂ в качестве материала канала. Хотя толщина материала канала составляет всего 1,3 нм, он по-прежнему обеспечивает более чем десятилетний срок хранения данных, превосходные характеристики проводимости и возможность записи 16-битных данных с несколькими состояниями, что придаёт новый импульс разработке будущих энергонезависимых устройств памяти высокой плотности и низкого энергопотребления.
Рисунок 3: Сегнетоэлектричество ромбоэдрического MoS₂.
