Small:临场扫描穿透式电子显微镜观测原子尺度下制作数层二硫化钼的平面内异质接面

随著近年来半导体技术快速的发展,必须不断地缩小电晶体内二极体的尺寸,以赶上摩尔定律约每两年电晶体数目增加一倍的速度。这样追求积体电路微缩化的过程,终究使得电晶体电路太细小且太过紧密,此时传导的电子可能发生量子穿隧效应逃逸出电路的侷限而相互干扰,造成数位电路中的 0 和 1 很难被清楚的定义。在逼近物理极限的同时,摩尔定律受到严峻的挑战。目前除了改善积体电路中电晶体的基本架构外;另一方面,则是寻找具有优异物理特性且能微缩至原子尺度的电晶体材料。二维材料可透过物理或化学製程分离出原子级层级数,其组成可为单一元素或是化合物交错形态。在快速科技发展下其应用趋势近年来带来破坏性的创新,无论是光电、半导体、能源、资讯科技或是量子技术等皆可见其踪迹。

过渡金属硫属化合物(TMDCs) 的化学式为MX2,M为过渡金属(如Mo或W),X为硫族元素(如S、Se或Te),除了类似于石墨烯层与层之间以凡得瓦力键结的性质之外,在单层的厚度也只有约0.7-0.9纳米,并展现良好的化学与热稳定性、可挠性和半导体传输特性,当原子层厚度减少时,能带结构上产生的非直接能隙到直接能隙的转换 (Indirect-to-direct band gap transition),使光电效率(Optical transition efficiency) 增加两个数量级以上,因此被视为未来更小元件传导通道材料来源受到广泛研究。重要的是,二维过渡金属硫化物的属性与其堆叠配置和层数密切相关。目前对多层的二维过渡金属硫族化物的结构修饰的理解仍然欠缺了解,尤其是原子尺度及具备选择性的调控方法。

台湾新竹交通大学吴文伟教授实验室透过临场扫描/透射电子显微镜(STEM / TEM)将二维数层二硫化钼雕刻出多处平面内的异质接面,其背后机制是使用电子束辐射创建了活性点缺陷,在其中施加热以刺激结构重建和组装,藉由超快速和高分辨率的影像撷取设备追踪结构的动态演变。其中首度观察到了数层二维材料特有的自组装行为,包括捲曲、折叠、蚀刻和重组。原子分辨率的高角度暗场影像用于解析出此新型二维结构的层数变化和堆叠情形。随后进行能量分散X射线光谱和电子能量损失光谱分析以证实元素分佈。从结构细节上来说,根据雕刻的程度将结构分为两种类型的纳米结构:MS-MoS2结构,由单层支撑著不同尺寸、形状薄层来组成。另一种则是 HS-MoS2结构,由具有嵌入的三角形纳米岛的几层纳米带制成,并连接成迷宫般的形态。 这两种MS结构和HS结构都包含着多样异质界面,这些异质层的层厚度和堆叠顺序均不同。为完成原子级别的结构证实,作者通过由原子模型重建二硫化钼的堆叠型态:1H,2H,3R,3R’和TZ,进行电子影像模拟,并与实验影像验证,成功证明此方法可用于局部调控二硫化钼的结构,制备出多数物化性质不同的异质接面,优于如高能离子束等的纳米调控技术。

这项工作不仅完成了十纳米尺度特征下可控的原子修饰,并保持材料的结晶度,研究中创建的异质接面结构也将促进量子相关几何,柔性光电和储能器件的设计。相关工作以“Atomic‐Scale Fabrication of In‐Plane Heterojunctions of Few‐Layer MoS2 via In Situ Scanning Transmission Electron Microscopy”为题,在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201905516)上。