熔融液体辅助的二维过渡金属硫族化合物大尺寸单晶的生长
批准号:
22075059
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
王新胜
依托单位:
学科分类:
无机功能材料化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王新胜
中文摘要
超薄二维半导体性过渡金属硫族化合物(TMDCs)是下一代数字电子和光电子器件理想候选者,获得电学和机械性能极度均一的高质量大尺寸单晶是其在集成电路中大规模应用的先决条件。但目前生长的2D TMDCs单晶尺寸仍普遍在微米、毫米级别,其主要原因是缺乏合适的单核诱导体系和多种子法中可避免孪晶行为的理想基底。为了获得厘米级及以上的2D TMDCs单晶,本项目拟在生长体系中引入熔融溶液作为晶体生长的中介、基底或缓冲层(1)熔融混合液可以为成核控制提供稳定的环境和准确的亚稳区范围,进而通过激光等技术实现单核诱导;(2)熔融液膜表面可以降低晶体与基底的相互作用,有利于晶畴形貌和取向的调整,实现无缝融合。本项目还将搭建具有原位显微光学观察功能的晶体生长平台,为探索成核条件和准确测量亚稳区范围提供有力工具。本项目充满挑战,但是每部分都具有高的可行性,项目预期目标的实现将使2D材料的器件应用迈进一大步。
英文摘要
Ultrathin two-dimensional semiconducting transition metal dichalcognides (TMDCs) are promising candidates for next-generation digital electronics and optoelectronics, achieving high quality large-size single crystals with ultimate uniform electrical and mechanical properties are a prerequisite for their massive applications in integrated circuits. However, at present, the size of prepared TMDCs single crystals is typically range from micrometer to millimeter level, which mainly because of the lack of a suitable growth system to induce a single nucleus or an ideal substrate to avoid the presentence of antiparallel domains and twinning behavior in multiple seeds method. To obtain centimeter scale even larger TMDCs single crystal, liquid will be used in the crystal growth system to serve as the growth media or the growth substrate or the buffer layer: (1) The molten mixture will provide stable environment and accurate metastable region for nucleation control, and make it feasible to induce the formation of a single nucleus by laser irradiation; (2) The liquid surface will reduce the interaction between the crystal and the substrate, which is conducive to the adjustment of the morphology and orientation, so as to achieve seamless stitching of adjacent domains. A crystal growth platform with in-situ optical microscopic observation will be developed for the investigation of nucleation conditions and measuring the metastable region. This project is highly challenging but each step is feasible. The fulfill of the project goal will make a big step to electronic applications for 2D materials.
以单层MoS2为代表的过渡金属二硫族化合物(TMDs)具有原子级厚度以及无悬挂键的表面,可被制备成超短沟道晶体管,能够应用在硅基器件的三维集成结构中,是下一代集成电路领域的候选材料。为了实现二维半导体材料在电子器件领域的应用,发展层数精准可控的大面积合成方法是关键。本项目在晶体生长体系中引入熔融溶液作为二维晶体生长的中介、基底缓冲层(修饰层)或金属Mo/W元素供体,利用熔融液面的优势,增大晶体单晶尺寸。主要完成的研究内容及结果有:(1)探索了化学性质稳定,熔点低,饱和蒸气压低的B2O3直接作为TMDs的生长基底的可行性,广泛测试了Mo或W金属氧化物盐类,如Na2MoO4、Na2WO4、(NH4)2MoO4等,并系统测试了MX2(M=Mo、W;X=S、Se)在各类碱金属卤素熔融盐中的溶解度。(2)设计和搭建了具有高温原位显微光学观察系统,并利用该系统实时记录了MoS2成核以及晶体生长过程中的形态演变,获了得成核、生长和前驱体扩散(增长率、扩散系数和前体的空间分布)的基础数据。通过对数据的分析拟合,对用于3D晶体生长的阶梯式扭结(TSK)模型应进行修订,提出了一种新的生长模型顶点-扭结-台阶模型(VKL)作为2D晶体生长的规律。(3)设计并搭建了一套二维半导体材料液相外延生长的设备,利用单层TMDs液相边缘外延(LPEE)机理,探索了单层TMDs的大面积LPEE制备方法并对生长过程进行原位观测,通过本方法和设备制备了多种单层单晶、TMDs合金材料(如Mo1-xWxS2)和多种磁性元素掺杂的单层TMDs,如Fe-MoSe2、Ni-WS2等;(4)研制了一套LPEE提拉设备,最大基底尺寸为2英寸,可用于单层MoS2在高温熔融盐体系中的LPEE提拉生长。使用溶解有MoS2的CsCl熔融盐生长体系,c面蓝宝石为生长基底,可获得单个单层MoS2晶体的最大直径达500 μm,并可获得连续覆盖的单层薄膜。(5)对生长的晶体进行了相应光谱、电学、磁学等性能表征,并探索了二维材料在如生物医药方面的应用潜力。本项目的成果将有助于推动TMDs材料尽早进行工业化应用。
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