南大王欣然、施毅团队在二维材料的物理性质与电子器件领域取得系列进展

来源：两江科技评论

二维材料原子级的厚度使其拥有独特的电学和光学性质，作为极具竞争力的下一代电子与光电子材料，受到越来越多的关注。二维原子半导体材料具有非零带隙、极限沟道厚度、高迁移率等特点，可以显著增加栅极调控能力，是最有希望继续延伸摩尔定律的新型材料之一。二维分子晶体由于其在层间以及层内均为范德华相互作用，展现出更强的偶极子相互作用，因此对分子半导体维度的控制有望大幅度改变激子耦合作用，从而产生新的光电器件应用。

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在电子器件应用方面，由于二维材料表面无悬挂键，无法利用传统原子层沉积工艺沉积高质量栅极介质层，导致界面态和等效氧化层厚度（EOT）远高于硅基CMOS晶体管。因此，开发针对二维材料的高质量、超薄、并且与大面积工艺兼容的介质层集成工艺，是二维电子器件应用的关键瓶颈之一。

为了解决以上问题，南京大学电子学院王欣然、施毅教授团队与南京大学现代工学院、化学化工学院以及加州大学洛杉矶分校、新加坡国立大学、东京大学、中电集团55所等单位合作，利用了二维材料与分子之间的范德瓦尔斯作用，以0.3纳米厚的单层分子晶体作为界面层，在二维材料上成功实现了高质量、超薄high-κ介质层沉积技术。凭借该技术，团队首次在石墨烯、MoS2和WSe2等二维材料上实现了1 nm EOT，并具备原子级的平整度、低界面态密度和高击穿电场。重要的是，介质层的漏电流密度与CMOS水平相当，满足了国际半导体技术路线图对低功耗逻辑晶体管的要求。利用分子辅助的超薄介质层沉积技术，研究人员将二维半导体场效应晶体管的亚阈值摆幅降至60 mV/dec的理论极限，工作电压降至0.8 V，并且在20 nm沟道长度下未发现显著的短沟道效应。进一步，实现了功耗小于1 nW的二维CMOS逻辑反相器，并通过石墨烯射频器件验证了介质层可以工作在10 GHz以上。值得指出的是，该技术适用于多种二维材料，并兼容大面积化学气相沉积样品。此项研究突破了二维电子器件超薄介电层集成这一瓶颈，有望推动二维集成电路的发展，该工作以《Uniform and ultrathin high-κ gate dielectrics for two-dimensional electronic devices》为题近期发表于Nature Electronics。

超薄high-κ介质层在二维材料上的沉积以及低功耗晶体管

（摘自Nature Electronics(2019) doi:10.1038/s41928-019-0334-y）

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在另一个工作中，南京大学电子学院王欣然、施毅教授团队与南京大学化学化工学院、现代工学院、东南大学、加州大学伯克利分校、威斯康星大学麦迪逊分校、香港中文大学和英国利物浦大学等单位开展国际合作，探索了二维分子晶体中的新奇光学性质和光电器件应用。团队通过物理气相沉积获得了单层苝衍生物有机分子晶体，发现其具有超强的光学响应。由于单层薄膜中分子在面内聚积，可产生强偶极相互作用,这是长距离J聚集体的理想条件。在单层有机薄膜中，Frenkel激子巨大的振子强度导致其具有很强的光学吸收(室温和4K下分别超过15%和30%)，以及接近100%的荧光效率。基于变温实验和密度泛函理论计算，随着温度降低，激子波函数的尺寸逐渐增大，在低温下可以达到百分子量级，达到无机半导体中的Wannier激子的尺寸。研究人员还实现了基于单层分子晶体的发光二极管器件，其本征工作频率可以超过30GHz。该研究以《Strong optical response and light emission from a monolayer molecular crystal》为题近期发表于Nature Communications。

二维有机晶体的光致发光性质

（摘自Nature Communications(2019) 

  doi:10.1038/s41467-019-13581-9）

 文章链接

[1] Li, W., Zhou, J., Cai, S. et al. Uniform and ultrathin high-κ gate dielectrics for two-dimensional electronic devices. Nat Electron (2019) doi:10.1038/s41928-019-0334-y

[2] Zhao, H., Zhao, Y., Song, Y. et al. Strong optical response and light emission from a monolayer molecular crystal. Nat Commun 10, 5589 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13581-9

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