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东北大学佛山研究生院刘宝丹教授团队在大尺寸二维(2D)材料制备领域取得重要进展
发布人:徐新阳  发布时间:2021-06-09   浏览次数:1211

近日,东北大学佛山研究生院刘宝丹教授团队在大尺寸二维(2D)材料制备领域取得重要进展。团队青年教师李晶博士和中国科学院金属研究所张兴来副研究员合作,基于液态金属镓的自我钝化效应,开发出了可以在室温环境下实现晶圆级大尺寸二维氧化镓非晶的制备和转移技术。在此基础上,基于限域反应策略,将其进一步拓展到了其它2D镓系半导体非晶和晶体(如GaN, GaS, GaP等)的合成,这些2D镓系晶体在高性能纳米光电探测器及下一代多功能量子器件领域展现了广阔的应用研究前景。该成果以《Template Approach to Large-area Non-layered Ga-group Two Dimensional Crystals from Printed Skin of Liquid Gallium》为题已在线发表在材料化学领域国际知名期刊《Chemistry of Materials》上,全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c00999

低维纳米复合器件特别是二维范德华异质结体系因其独特的量子新物态(拓扑保护、新型准粒子、强关联等),吸引无数材料与物理领域研究人员的关注,其中大多数镓系二维材料不具有石墨层状结构,无法用传统的外延生长和剥离技术获得,制备上受到严峻的挑战,也是目前一个研究热点。针对这些问题,研发团队从液态Ga金属的表面自钝化机理出发,创新性地提出一步法同时实现Ga金属的氧化和剥离,开发出了以PDMS为衬底,在其表面直接印刷制备二维氧化镓(Ga2O3)非晶的合成技术(见图1);同时利用PDMS优良的转移特性,可以便捷地将2D Ga2O3非晶转移到任意衬底。这一创新性的思路也得到了编辑和审稿人的高度评价,他们认为这将是一个快速发展的领域,该工作的研究成果印象深刻,毫无疑问将引起该领域研究人员的广泛兴趣。(This is a rapidly growing field, and the presented results are impressive and will without doubt stimulate significant interest in the field.)。

1大尺寸二维氧化镓非晶的制备流程图。

基于上述策略,研究团队在2英寸氧化硅衬底上成功实现了大面积2D Ga2O3的有效制备和转移(如图2所示)。2D Ga2O3的厚度在6 nm左右,具有原子级别的平整度,表面洁净无残余Ga污染,高分辨透射电镜结果(HRTEM)显示其原子排列长程无序,选区衍射斑点呈现出典型的非晶衍射光晕,证明了2D Ga2O3的非晶结构特性。利用2D Ga2O3超薄纳米片作为模板,进一步通过氮化、磷化和硫化等手段,还可以将2D Ga2O3转化为2D GaN、2D GaP和2D GaS等晶体,进一步拓展了2D Ga系非层状材料体系。

2 大尺寸二维氧化镓非晶的表面形貌、厚度和晶体结构


3大尺寸二维氮化镓晶体的表面形貌、厚度和晶体结构

利用上述2D Ga系超薄纳米片,还可以实现多层纳米片自堆垛以及与其它二维材料异质堆垛形成范德华异质结。例如,可以将2D Ga2O3与2D MoS2构筑形成2D Ga2O3/MoS2范德华异质结场效应晶体管,器件表现出优良的场效应调控特性和非PN整流效应,开启电压小于1V,整流比高达103(图4),这不仅丰富了二维范德华异质结材料体系,也为设计和构筑多功能、高性能2D Ga系范德华异质结器件提供了可能。

42DGa2O3/MoS2范德华异质结场效应晶体管的模型实物图以及相应的性能曲线

东北大学佛山研究生院李晶博士为论文的第一作者,中科院金属所张兴来副研究员为论文的共同第一作者,刘宝丹教授为论文的通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金项目、东北大学及佛山研究生院科研启动项目、中央高校基本科研业务专项资金项目和沈阳市科技计划项目的资助。