复旦大学利用氮化硅膜研究自拓展熔盐驱动的图案化二维晶体生长

复旦大学·先进晶体管材料与器件实验室

高分子科学系/聚合物分子工程国家重点实验

魏大程课题组团队：实现自拓展熔盐驱动的图案化二维晶体生长

▲论文作者与摘要

近日，复旦大学先进晶体管材料与器件实验室/高分子科学系/聚合物分子工程国家重点实验魏大程课题组团队实现了二维过渡金属二硫化物（TMD）晶体的可控图案化生长。该研究为二维晶体可控制备提供了一种新方法，有助于推动二维晶体在下一代功能电学器件中的应用。

研究发现，使用熔盐辅助法所得TMD晶体具有多级结构，由顶部的二维晶体与介于晶体和基底之间的中间层组成，同时还揭示了晶体生长过程是由熔融盐铺展驱动的。铺展过程中，熔盐既作为微反应器为化学反应提供局域化介质，避免了传统化学气相沉积法的全局成核，同时又作为液态基底将反应限制于液态熔融盐表面（表面自限反应），保证了高质量单层二维晶体的生长。基于以上发现，团队实现了二维TMD晶体的可控图案化生长。相关研究成果以“Self-Expanding Molten Salt-Driven Growth of Patterned Transition-Metal Dichalcogenide Crystals”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

复旦大学高分子科学系/聚合物分子工程国家重点实验室博士生强丁丁为第一作者；魏大程研究员、刘云圻院士为本文的通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导项目和复旦大学的支持。

过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMD,包含WSe2, WS2, MoSe2, MoS2等）被认为是潜在的下一代半导体材料。TMD晶体的可控生长是实现其未来应用的先决条件。本研究揭示了一种新的自拓展熔盐驱动的晶体生长机制，并实现了数百微米尺寸的TMD单晶阵列的原位图案化生长。显微表征揭示了熔盐辅助法所得晶体的独特多级结构，飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和其他光谱表征确定了多级结构中各部分的组成成分。此外，由于对TMD晶体的非润湿效应，晶体边缘的熔盐在晶体生长过程中不断铺展，从而促进了TMD单层的持续生长。

▲图1 图案化晶体制备及自拓展熔盐驱动晶体生长过程

在常规化学气相沉积制备TMD晶体过程中，晶体直接生长于硅或其它厚衬底上。在进行透射电镜观察之前必须先进行转移，而这一过程通常会涉及到水溶液，导致晶体与基底之间的水溶性中间层被溶解，进而使得盐辅助法所得样品结构不能被很好地揭示，相应的生长机理也难以被理解。

为了避免转移带来的影响，课题组采用了原位芯片（YW MEMS (Suzhou) Co., Ltd）自主研发生产的氮化硅薄膜作为衬底（图2）。由于其耐高温＞1000 ℃和低应力＜250 MPa，可以承受反应过程的高温以及快速冷却引起的应力变化，因此可作为生长基底。同时，由于所使用的氮化硅薄膜厚度仅为10 nm，无需转移即可直接进行TEM观察，由此避免了中间层的溶解，为观察样品的真实结构提供了可能。

左：用于晶体生长及原位TEM观察的Si3N4薄膜结构示意  

右：文章致谢内容