01

研究背景

随着半导体技术逐渐逼近Si材料的理论制程极限,寻找新的半导体材料来替代Si具有非常重要的科学与工程意义。二维半导体材料,特别是过渡金属二硫化合物(TMDCs),具有延伸摩尔定律的潜力,引起了科研人员极大的研究兴趣。然而,就目前来说在可扩展和工业兼容的基片上制备晶圆级TMDC单晶仍然是一个未解决科学难题。

02
研究结论

近日,来自南京大学固体微结构物理国家重点实验室以及东南大学物理学院的研究人员合作,实现了在蓝宝石C面上外延生长2英寸(~50 毫米)的单层二硫化钼(MoS2)单晶。研究人员们设计了垂直于标准蓝宝石基底的沿A轴的斜切方向,这不会影响外延关系,但是由此产生的台阶边缘破坏了反平行MoS2的形核能简并度,导致了晶核高达99%的单向性排列。

03
计算分析

图 1. MoS2与蓝宝石(0001)面的外延关系,黑色与红色箭头分别代表蓝宝石与MoS2的晶格矢量

为了探索MoS2在蓝宝石C面上的生长机理,研究人员需要构建界面模型,并通过第一性原理计算找到MoS2在衬底上的稳定结构。首先研究人员从高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)分析的横截面结果和反射式高能电子衍射仪(RHEED)的结果推断出了晶体结构的外延关系,如图1所示,其中包含5×5 的MoS2 超胞 (5 × 3.16 = 15.8 Å),这几乎与蓝宝石超胞 (2√3 × 4.76 = 16.488 Å)相称,失配率仅为4.2%。

然后研究者对MoS2以不同夹角吸附在蓝宝石衬底上的吸附形成能进行了计算。

如图2所示,可以看到在夹角为30°时,能量最低,这表明该角度为最稳定的吸附结构。

图2. 形成能随MoS2与蓝宝石衬底夹角变化的关系

同时可以注意到,在最小值点附近的轻微偏差将迅速使能量增加到最大值。因此,晶粒发生角度偏离最优夹角的情况在能量上是不利的,并且畴倾向于以外延方式排列。此外,研究人员还发现0°构型是一个局部能量最小值,这表明在一定的生长条件下获得0°夹角的构型是可能的。

图 3. (a) ZZ MoS2边吸附到台阶上的形成能受S化学势的影响;(b)四类边缘组态类型的形成能计算结果

在单晶生长中引入台阶除了可以降低表面对称性,还可以打破形成能在取向上的简并性,进而实现单一取向MoS2的生长。通过第一性原理计算,研究人员考察了ZZ MoS2边(Zigzag形状的边缘)吸附到C/A台阶上的形成能。该能量会受到S的化学势(μS)的影响。考虑到MoS2具有不同类型的ZZ-Mo和ZZ-S边缘以及不同的S覆盖率(0%, 50%, 100%分别表示0, 1, 2个S原子),研究人员分别进行了对比计算,结果如图3 (a)所示。可以看到,在富S条件下,具有100%S覆盖的ZZ-Mo-S2边缘是最稳定的组态,相比于反向畴取向的ZZ-S2组态能量低了0.1 eV,如图3 (b)所示。这保证了在生长初期的单相成核。从图3 (a)的计算结果还可以看出少硫环境会降低能量效益,不利于MoS2单向生长。

文献链接

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00963-8