Advanced Materials:原子级精度修复二维碲化钼薄膜的宏观缺陷

在宏观世界里,面对各种各样的“缺陷”,比如裂痕,孔洞,褶皱等等,我们会有各种各样的方法去“修复”他们。对于衣服上的破洞,我们可以通过打补丁的方法修复;铁轨上的裂痕,我们可以通过焊接的方法修复……这些修复可以在一定程度上延续他们的功能,但是从原子的尺度讲,这些修复是不完美的。因此,在原子级精度上修复一种材料,特别是单晶的材料是一件充满挑战的事情。

二维半导体薄膜材料由于其能够达到单原子层或者少数几个原子层厚度,在抑制短沟道效应方面具有得天独厚的优势,因此成为延续摩尔定律的重要备选材料。但是在材料的生长以及器件的制备(特别是其中的材料的转移步骤)过程中,不可避免的会引入一些宏观缺陷,比如划痕,孔洞,褶皱等。实现对这些宏观缺陷原子级别的修复对于保证器件性能和可靠性是非常重要的。

北京大学物理学院凝聚态物理研究所纳米半导体与光电子物理研究团队利用金属相(1T’相)和半导体相(2H相)碲化钼(MoTe2)的异相界面诱导的相变和重结晶过程实现了对二维MoTe2薄膜宏观缺陷的原子级精度的修复。MoTe2的1T’相和2H相之间的单位分子量的自由能差异非常小,只有40 meV,这为实现两个相之间的可控相变奠定了基础。他们使用光刻的方法在具有宏观缺陷的位置打开一个窗口,然后通过反应离子刻蚀(RIE)的方法将暴露出来的薄膜刻蚀掉,再通过磁控溅射蒸镀一层钼薄膜并剥离,最后进行高温的化学气相沉积(CVD)生长。他们发现1T’相MoTe2首先被生长出来,然后从四个边界处逐渐相变为2H。通过扫描透射电镜(STEM)和电子背散射衍射(EBSD)的表征发现,相变的过程伴随着重结晶,新相变的2H相薄膜会继承边界处2H相MoTe2的晶格结构和晶格取向,从而实现原子级别的修复。修复的MoTe2具有与原始的薄膜一致的电学性质。此项研究为基于MoTe2的电子及光电子器件的制备提供了基础。该方法也有望应用到在其他材料体系中。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202000236)上。博士研究生徐晓龙为第一作者,叶堉研究员和戴伦教授为共同通讯作者。