原位电镜:二维材料的原子级修复

随着半导体产业的快速发展,电子器件微型化进程不断加速。为了发展体积更小、功能更强大的元器件,除了不断优化加工工艺,探索在更小尺度可稳定存在的新型材料也同等重要。近年来具有原子级厚度的多种二维(2D)材料的不断发现为未来半导体行业的发展带来了新的机遇。然而,如何在原子尺度上设计并精准调控2D材料是制造高性能器件的重要挑战。二硫化钼(MoS2)和碲化铋(Bi2Te3)是两种常见类型的2D硫族化合物材料,它们在电子和光电子器件中具有广泛的应用前景。然而由于材料本身尺寸就在原子尺度范围,所以材料上的任何缺陷,小到单个空位大到纳米级孔洞结构等都会对材料的性能产生显著的影响,从而影响器件的性能和可靠性。通常在2D材料制备和转移过程中很难避免引入一些这样的缺陷,因此,如何精准而有效地修复这些缺陷显得至关重要。目前可尝试的修复方法无法实现在原子尺度上边观察边修复2D材料上的缺陷,通常只能先进行所谓的看不到的修复,再观察材料的修复情况,这给精准可控修复2D材料带来困难。

近年来,东南大学电子科学与工程学院纳皮米中心的孙立涛教授课题组利用透射电子显微镜(TEM)中的电子束作为有效的加工手段,在原子尺度上成功原位修复了MoS2和Bi2Te3等典型2D材料上的不同缺陷结构,并从原子尺度上实时记录了结构修复和演变的全过程。在一定条件的电子束辐照下,纳米孔状结构会逐渐向内得到修复并最终消失,修复后的材料具有高质量的结晶性。通过对修复过程的详细观察,分析原子的迁移轨迹,结合理论计算,给出了电子束辐照下2D材料的修复机制。在修复过程中,沿着纳米孔边界存在不同类别的空位结构,空位结构周边原子柱的数量越多被修复的优先级别越高;修复的过程是沿着垂直于2D材料的平面方向逐列修复纳米孔而非平行于平面逐层修复。该实验结果表明电子束辐照可以用于修复从单空位、双空位、多空位到更复杂缺陷的各种缺陷结构,是在原子尺度上实现2D材料精准结构修复的一种有效方法。

该项研究为制备各种器件所需的高质量2D材料提供了原子尺度上的可靠结构保障。此外,将这种电子束诱导的精准原子尺度修复和该团队之前报道的原子尺度刻蚀方法相结合,将为未来2D材料与相关器件的原子尺度按需构筑提供了一条新思路。相关文章在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201705954)上。

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