与硅基技术兼容的二维过渡金属硫族化合物电子器件

作为现代信息社会的物理基石,以硅基材料为核心的集成电路极大推动了人类现代文明的进程.但是,随着晶体管特征尺寸微缩逐渐接近物理极限,传统硅基材料出现了电学性能衰退、异质界面失稳等挑战,导致集成电路数据处理能力提升难、功耗急剧增加等问题产生.超薄二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)具有表面平整无悬挂键、电输运性能优异、静电控制力强、化学性质稳定等优势,可有效解决上述问题,被认为是后摩尔时代集成电路的最具潜力候选材料之一.目前,二维TMDCs集成电路研究在多个关键领域均取得了突破性成果,但距离产业化应用仍需要克服一些挑战.本文着重介绍了二维TMDCs材料与电子器件在集成电路应用的各方面优势,系统阐明了二维TMDCs集成电路在材料控制生长、范德华界面优化以及器件设计构筑等方面的关键科学问题,提出了相应解决办法和应对措施,分析了二维TMDCs集成电路产业化进程中的综合性挑战,明确了“与硅基技术兼容”二维TMDCs集成电路发展路线的优势、可行性与突破方向.     

二维过渡金属二硫化物的能带调控

二维过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)因其原子级平坦的表面、可调的能带结构等优势而在光学、电学、热学等领域受到广泛关注,并且为解决传统硅基晶体管尺寸进一步微缩面临的挑战提供了新的机遇.能带工程是调控二维TMDCs材料电子结构并研究其物理学特性的重要手段.本文从本征调控和外部调控两个方面综述了近年来二维TMDCs材料中的能带调控策略,主要包括本征层数调控、零维点缺陷调控(晶格空位构筑、掺杂/合金化)、施加应变、构筑异质结等.在现有研究成果的基础上,对未来的研究方向进行了展望.     

二维过渡金属硫族化合物的研究进展

二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)是继石墨烯之后的新型范德瓦耳斯材料,由于其天然的二维特性以及强自旋轨道耦合作用(spin-orbital coupling, SOC),导致诸如金属-绝缘体转变、电荷密度波(charge density wave, CDW)、能谷电子学、非常规超导电性等新颖物理性质的出现,使得这类材料成为研究低维量子物理的又一理想平台.其中能谷电子学与拓扑超导已经成为近年来凝聚态物理前沿研究的热点方向.本文在综述TMDCs材料的结构与基本物理性质的基础上,重点介绍了最近发展的用于生长原子层厚度的TMDCs材料的熔盐辅助化学气相沉积方法、在Se掺杂的MoSexTe_2-x薄膜中实现的T_d相到1T′相再到2H相的结构相变与超导增强现象,以及在少层T_d-MoTe₂中发现的非对称性SOC作用引起的类伊辛超导现象.最后,展望了TMDCs材料的潜在应用与可能存在的拓扑超导.     

二维材料功能化隔膜在锂电池中的应用

功能化隔膜对于锂二次电池的安全性能和电化学性能有着重要影响.相比于其他改性传统聚烯烃隔膜的材料,二维材料具有超薄的片层结构、高机械强度、高比面积以及可调的表面化学性质等优势.本文综述了不同类型二维材料功能化隔膜在解决锂硫电池中多硫化物的穿梭效应、锂金属电池中负极枝晶生长问题,以及锂离子电池中传统聚烯烃隔膜润湿性和热稳定差等问题的研究进展.最后,讨论了二维材料在锂电池隔膜中面临的机遇和挑战.     

二维材料异质结的可控制备及应用

二维材料异质结是由石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、黑磷等二维材料通过面内拼接或层间堆叠形成的,并由此可分为二维材料面内异质结和垂直异质结.二维材料面内异质结可以实现区域内载流子的特殊传输行为;而垂直异质结中的层间量子耦合效应能够导致新颖的物理特性,通过调节异质结构界面可调制器件的电学及光学性能.目前,随着电子器件、光电器件等对集成性、功能性的要求不断提高,二维材料异质结越来越多地受到研究者的关注,实现二维材料异质结结构(包括界面)的有效调控是构筑高性能、高集成器件的前提.本文主要对比各类二维材料异质结的制备方法,介绍主流的几类二维材料异质结基电子器件和光电器件的结构、工作原理和性能,展望有前景的新型制备方法,并指出二维材料异质结在实际应用中面临的挑战.     

二维半导体材料的生长和光电性能研究

二维过渡金属硫族化合物纳米材料由于是不同带隙的半导体,同时有些在地球上储量丰富,受到人们广泛的关注.在本文中,介绍了用于二维材料场效应晶体管制备的光刻图形转移技术.该方法可以低成本、简单、有效地获得晶体管,同时对二维材料的损伤较小,可以获得高性能的二维材料晶体管;其次,介绍了Co掺杂MoS_2双层纳米片的生长及电学输运研究,可以通过控制生长过程中硫的浓度来改变纳米片的形貌,随着温度的升高,最终可以获得CoS_2/MoS_2六边形结构,电学测试表明Co掺杂MoS_2双层纳米片显n型,而CoS_2/MoS_2六边形结构具有很高的电导率;还介绍了垂直双层SnS_2/MoS_2异质结的气相生长及光电性能研究,这种异质结具有很大的带阶,能带结构呈现Ⅱ型,在异质结区域,出现了强烈的光致发光谱淬灭,这种异质结与相应的单体材料相比,具有增强的光电性能.最后,对二维材料的未来研究进行一些展望.     

多元铜基硫族半导体纳米晶的发光性能及其在电致发光器件中的应用进展

半导体纳米晶(又称为半导体量子点)由于其色纯度高和尺寸依赖的发光性能等优势,在照明和显示方面受到了科学界和产业界的广泛关注.目前,基于半导体量子点的电致发光器件所使用的发光材料以镉基硫族化合物量子点为主,然而镉元素对环境和人体都有一定的危害.因此,开发一种环境友好且光电性能良好的无镉半导体纳米晶是非常必要的.近年来,多元铜基硫族半导体纳米晶由于其毒性低、组分可调的发光特性及其在光电子器件领域的潜在应用受到了广泛关注.本文详细综述了多元铜基硫族半导体纳米晶的组分、表面配体、晶体结构和纳米结构等因素对其发光特性的影响,着重阐述了多元铜基硫族半导体纳米晶在电致发光器件中的研究进展,最后对多元铜基硫族半导体纳米晶的发展进行了展望.     

过渡金属硫属化合物层间异质结构的可控制备和能源应用

随着石墨烯及其优异性质被发现以来,二维层状材料成为了材料科学领域研究的热点.二维层状材料每个片层内的原子通过化学键连接,片层间以弱范德华力相互堆垛.这种几何结构使得二维层状材料在晶格不匹配和生长方法不兼容的情况下,彼此之间仍然能够相互混合和匹配,从而衍生出很多范德华层间异质结构.这种异质结构利用了不同堆垛材料迥异的物理和化学性质,在电子、光电子器件、可再生能源储存和转化等领域得到了广泛的应用.需要指出的是,大面积、大畴区、可控制备本征层间异质结构是实现其实际应用的首要条件.本文总结了基于过渡金属硫属化合物(MX_2)和石墨烯(graphene)层间异质结构的最新研究成果,重点描述了MX_2/graphene和MX_2/MX_2层间异质结构的化学气相沉积(CVD)可控制备、新奇物理性质探索以及这两类异质结构在能源领域(电/光催化析氢反应)中的应用,并讨论了所存在的问题和未来发展方向.     

面向微电子应用的二维过渡金属硫族化合物制备进展

二维原子晶体材料所独有的结构特性带来了诸多优异的性质.与石墨烯相比,二维过渡金属硫族化合物(TMDs)拥有不同大小且可调控的带隙,在微电子和光电器件领域有着广阔的应用前景.本文对二维TMDs材料"自上而下"和"自下而上"的制备方法进行了总结,对比了机械剥离、液相剥离和化学气相沉积等常见制备技术,并归纳了各自的优缺点.同时基于未来晶圆级二维TMDs器件,重点介绍了化学气相沉积法及其面向应用需要解决的问题.最后总结了二维TMDs材料在微电子器件应用中的研究进展.     

后摩尔时代晶体管：新兴材料与尺寸极限

在后摩尔时代,大规模半导体集成电路对功耗和集成密度的要求使得晶体管器件的开发需要在"材料、制程、结构"三个维度同步推进。文章详细梳理了近年来涌现的新兴低维半导体材料及异质结构,包括碳纳米管、过渡族金属硫属化合物、黑磷、碲烯和一维/二维范德华异质结等,并对其电学物理特性进行了深入的讨论,同时总结了这些材料在14nm工艺节点以下超短沟道晶体管和新结构晶体管器件方面的最新进展,最后从材料角度对半导体逻辑器件的进一步发展指出方向。     

后摩尔时代晶体管：新兴材料与尺寸极限

在后摩尔时代，大规模半导体集成电路对功耗和集成密度的要求使得晶体管器件的开发需要在“材料、制程、结构”三个维度同步推进。文章详细梳理了近年来涌现的新兴低维半导体材料及异质结构，包括碳纳米管、过渡族金属硫属化合物、黑磷、碲烯和一维/二维范德华异质结等，并对其电学物理特性进行了深入的讨论，同时总结了这些材料在14 nm工艺节点以下超短沟道晶体管和新结构晶体管器件方面的最新进展，最后从材料角度对半导体逻辑器件的进一步发展指出方向。     

基于载能重离子的超薄薄膜纳米孔制备技术

超薄薄膜纳米孔材料由于其优异的物理和化学特性,在物理学、生物学、电子学和纳米科学等多学科领域应用潜力巨大.高效、便捷和可控的制孔方法对于获得高品质的纳米孔尤为重要,而载能重离子辐照不仅是一种强大的材料改性手段,也是一种独特的纳米孔制备方法.近年来,北京大学重离子物理研究所在基于载能重离子辐照技术研制超薄薄膜纳米孔技术方面的进展显著,所用材料包括传统有机高分子膜与新型二维材料.本文主要从核径迹刻蚀有机薄膜纳米孔的制备技术和二维材料纳米孔制备技术两方面展开介绍,分别阐述了这两种技术的制孔方法、改性方法和对应的纳米孔材料在能量转化、分子检测、离子运输、纳米流体等领域的应用,为进一步深入研究载能重离子制备其他人工固态纳米孔提供了参考.     

新型半导体深能级掺杂机制研究

掺杂技术是现代半导体技术的核心之一.本文介绍了荣获2017年国家自然科学奖二等奖的项目,重点围绕宽禁带半导体材料、二维半导体材料的能带结构和器件,系统地研究了几类重要的半导体材料的深能级掺杂机制,并进行性能预测.主要创新工作包括:(1)提出了钝化共掺杂方法,增加了TiO_2的光催化效率;(2)发现了空穴导致非磁半导体中d~0铁磁性的新的物理机制;(3)为克服小量子系统掺杂瓶颈,提出通过共掺杂方法在材料中形成杂质能带,降低杂质电离能以提高载流子浓度;(4)对两类新型的二维半导体材料,即过渡金属硫化物以及石墨炔,发现了一系列新奇的物理现象和掺杂机理.这些工作对半导体掺杂理论的发展、新一代纳米器件和第三代半导体器件的结构设计以及性能预测将起到重要的指导作用.     

基于单层胶体晶体的功能性二维有序阵列研究进展

二维有序微纳米结构阵列往往呈现出有序图案化结构所带来的新颖或增强的性质,由胶体球自组装而成的单层胶体晶体已被广泛应用于二维有序微纳米结构阵列的可控制备.这种方法具有简单、高效、适用范围广等诸多优点,因而愈来愈受到人们的关注.本文简要综述了近年来基于单层胶体晶体的功能性二维有序阵列的研究进展,主要包括二维光子晶体传感器、等离激元纳米阵列、太阳能转换器件、光学与光电器件、表面浸润与黏附以及生物医学材料等方面的最新成果.其中着重介绍了本课题组在Zn S纳米碗阵列、异质结构Ag_2S-Ag纳米碗阵列、异质结构TiO_2纳米棒@纳米碗阵列以及方解石单晶微透镜阵列等方面所取得的一些研究进展.     

基于碳纳米管阵列/无机物片层交替结构具有能量吸收特性的杂化复合材料

将二维的层状纳米结构与有一维的碳纳米管阵列组合,形成多级有序的三维纳米结构材料,可获得许多奇特的材料性能.所以,如能大规模地在纳米尺度上实现材料的规整组装将会极大地提高材料的性能,拓展纳米材料的应用.众所周知,如果高分子插层到无机片层材料中,就会显著提高复合物的强度.但是这种填充进去的高分子的有序度往往难以控制.如果能够在二维片     

半导体超晶格与量子微结构研究30年

半导体超晶格与量子阱系指对电子具有一维量子限制作用的多层超薄异质结人工材料,量子微结构泛指对电子具有二维和三维量子约束性质的量子线与量子点介观系统.这类低维体系的研究是近30年来半导体科学技术中,尤其是半导体物理学领域内一个发展最迅速的活跃前沿.它的研究兴起,不仅对信息科学技术,而且对低维物理、材料科学以及纳米技术的发展,正在产生着革命牲的影响.本文着重回顾与评述了30年来半导体超晶格与量子微结构在材料生长工艺、体系维度变化、物理效应产生以及新型器件应用等方面所取得的一系列重大进展,并对其在21世纪的发展作了初步展望.     

二维层状材料原位电子辐照研究

纳米结构的高精度可控加工是制约器件小型化发展的重要限制因素之一,而基于透射电子显微镜的电子辐照有望在加工精度上推动纳米加工的进程.透射电子显微镜中高能电子束不仅能用于原子结构成像,还可用于原位辐照加工.因此,基于透射电子显微镜的电子辐照效应研究既有利于从原子尺度上探索材料在电子辐照作用下的结构稳定性及结构演变规律,又有利于加深对电子辐照过程的理解,为纳米结构的高精度可控加工提供理论依据和实验基础.本文将简要介绍几种常见的电子辐照效应,并综述近年来利用透射电子显微镜在石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物等二维层状材料原位辐照方面的研究进展,为进一步研究二维材料结构稳定性和精准、可控加工低维纳米结构提供参考.     

石墨烯模板法制备超薄二氧化硅纳米片

石墨烯是一种具有二维纳米结构的材料,也是制备二维材料理想的模板.本文报道了一种以氧化石墨烯为模板制备二氧化硅纳米片的方法,利用原位自由基聚合将含硅聚合物聚(3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷)接枝到氧化石墨烯片上,经过氨水交联、冻干和700℃下热处理,获得二氧化硅纳米片.     

石墨烯透明电极在氮化镓基光电器件中的应用

二维材料石墨烯因其优异的特性或将在下一代纳米电子器件中发挥核心作用.其用作光电器件上的透明电极是目前公认的短期内最有可能实现产品化的领域.本文结合实验室的工作,综述了石墨烯应用作氮化镓(GaN)基光电器件(特别是发光二极管)透明电极的国内外最新研究进展,并对未来发展方向作了展望.     

二维材料气体分离膜及其应用研究进展

二维材料气体分离膜由于其独特的分子输运特性,在渗透率、选择性方面表现出优于传统薄膜的优势,具有巨大的发展潜力.石墨烯类、二维金属有机骨架、二维过渡金属碳化物/碳氮化物等二维材料中存在的亚纳米尺度空间为分子输运提供了特殊的通道,包括纳米孔和纳米通道,它们是高渗透性和高选择性分子筛选的根本原因.然而,二维材料薄膜在复杂工业环境中的不稳定性、难以进行大面积制备等使其实际应用受到了很大的局限,目前二维材料膜尚未大规模应用于工业生产中.本文选择性地对当前研究的热点二维材料气体分离膜研究现状进行总结,同时对其在CO₂捕获和分离、H₂分离和提纯、天然气提氦等领域的具体应用进行阐述,并且探讨了二维材料气体分离膜当前所面临的挑战与未来发展前景.