《Nature,Nanotechnology》,一種電晶體超晶格!

廣泛的過渡金屬二硫族化合物電晶體可作為單層晶體,囙此,將每種資料精確地集成到範德瓦爾斯超晶格中,可以實現具有以前未探索過的功能新結構。在此,來自韓國浦項科技大學的Moon-HoJo等研究者,報導了一種由MoS2、WS2和WSe2等兩種不同TMDCMLs組成的具有可程式設計堆積週期的vdWSLs的原子層-層外延生長。

廣泛的過渡金屬二硫族化合物(TMDC)電晶體可作為單層(ML)晶體,囙此,將每種資料精確地集成到範德瓦爾斯(vdW)超晶格(SLs)中,可以實現具有以前未探索過的功能新結構。

在此,來自韓國浦項科技大學的Moon-Ho Jo等研究者,報導了一種由MoS2、WS2和WSe2等兩種不同TMDC MLs組成的具有可程式設計堆積週期的vdWSLs的原子層-層外延生長。相關論文以題為“Heteroepitaxial van der Waals semiconductor superlattices”發表在Nature nanotechnology上。

論文連結:

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00942-z

數十年來,電晶體超晶格(SLs),即在原子厚度範圍內由兩個交替電晶體組成的週期性層狀結構,已成為現代電子、光子學和顯示技術中各種異質結器件的資料平臺。這種突出的SL例子有很多,通常為III-V化合物電晶體SLs(即GaAs/AlGaAs和GaInAs/AlInAs),如,用於高電子遷移率的電晶體和量子級聯雷射器,用於發光二極體的GaN/AlGaN SLs以及用於應變Si互補金屬氧化物電晶體的Si/Ge SLs等等。其中,組成的電晶體通過晶格匹配相干的異質介面共價結合,其中二維載流子根據層間耦合强度的程度形成不同的量子阱(QW)結構。同時,範德瓦爾斯(vdW)電晶體,通常來源於過渡金屬二硫屬化合物(TMDCs,MX2,其中M和X分別代表過渡金屬離子和硫根離子),自然會在單元單分子層(ML)中通過無化學鍵的vdW間隙產生固有的2D限制。這種vdW電晶體MLs顯示了不同的電子結構,囙此,它們有希望通過將每種vdW QW結構精確地集成到SLs中來創建一種新的vdW QW結構。

儘管研究者對不同vdW MLs的雙層堆疊進行了廣泛的研究,以研究新型的層間激子,例如層間激子和與扭角相關的强相關性,對vdW SLs的QW態瞭解較少,主要是因為它們無法通過精確的ML-by-ML合成得到。本文中,研究者注意到近年來電晶體金屬vdW異質結構陣列的圖案化生長和徑向vdW SLs的折疊平面vdW異質結構的發展。它們通常是通過與大氣中的一些雜質進行人工轉移堆垛來製備的,這對於可擴展的集成來說可能不是不可避免的。

在此,研究者報導了利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)科技直接生長vdW SLs,該科技由MoS2、WS2和WSe2MLs異質外延堆積而成。通過近平衡極限下异核成核的動力學控制,實現了精確的ML-by-ML序列堆垛。這種ML-by-ML堆疊外延,使得能够實現ML精度可調的vdW SL電子結構。研究者用不同的方法確定了vdW異質介面上的幾種原子堆積順序。與共價電晶體相比,vdW ML電晶體通常具有更大、更長久的自旋穀極化載流子,可由圓偏振光有效地產生。以相干二維vdW異質介面上的II型帶排列為例,研究者演示了穀極化載流子激發——vdW ML電晶體中最顯著的電子特性之一——根據研究者的(MoS2/WS2nSLs中的堆棧號n對光激發進行縮放。

圖1 MoS2/WS2SLs的ML-by-MLvdW異質外延。

圖2具有可調週期的vdW SLs設計異質外延。

圖3 WSe2/WS2/MoS2三層層面內晶體結構的異質外延演化。

圖4 II型MoS2/WS2SLs中的穀極化中間層激發。

綜上所述,研究者報導了利用ML-by-ML異質外延科技,實現了週期可調vdW電晶體SLs的生長。研究者驗證了SLs中vdW異質介面上的相干原子堆積順序。這種相干vdW SLs提供了一套新的可調諧二維電子系統,為研究未知性質和功能的各種固態現象提供了挑戰性的機會。作為範例,研究者提出了僅適用於vdW SLs中一系列2D II型帶排列的縮放穀偏振光激發。囙此,外延設計的vdW SLs可以作為一種具有不同vdW介面的新型QW態的可擴展平臺。

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