本工作室建立了微信群用于交流讨论，提供二维材料、科研绘图技巧等内容。同时宣传了邓昱老师等人关于高定向二硫化钨（WS2）单层研究的工作，该工作在Advanced Materials期刊上发表。这项研究通过模板生长策略实现了WS2单层的高定向生长，并在高性能电子学领域表现出良好的性能，为宽带隙TMDC单层在后硅电子学中的应用铺平了道路。
该研究通过模板生长策略在斜切C/A面蓝宝石晶片上实现了WS2单层的高定向生长。在高性能电子学领域表现出良好的性能，如高场效应迁移率、低接触电阻和创纪录的高饱和电流密度。
该研究为宽带隙TMDC单层在后硅电子学中的应用铺平了道路，为大面积、高性能TMDC单层的合成提供了新的方法。
本工作室建立了微信群促进同学们之间的交流学习并有效讨论问题，可通过添加编辑微信进群。1.编辑微信：1）FEtunan（微信号）2）186006489282.工作室提供：二维材料生长及器件制作；科研绘图技巧；二维相关报告或会议推送；二维读博导师推荐、课题组招聘需求等欢迎大家投递中文的工作宣传稿及广告，具体联系微信：FEtunan（微信号）南京大学邓昱老师、施毅老师、郝玉峰老师、黎松林老师等人发表了题为“Highly Oriented WS2 Monolayers for High-PerformanceElectronics”的工作在Advanced Materials期刊上，本文的第一作者为Li Zhan, Xudong Pei, Jiachen Tang。本文研究了通过模板生长策略在斜切C/A面蓝宝石晶片上可重复合成的高定向二硫化钨（WS2）单层，并展示了其在高性能电子学中的应用潜力。通过各种光谱表征确认了整个晶片上晶体取向的高一致性和均匀性。在转移到SiO2/Si基底上的样品的电子测量显示，在室温和8 K时，平均场效应迁移率分别为62 cm²V⁻¹s⁻¹和180 cm²V⁻¹s⁻¹。在六方氮化硼（hBN）基底上，这些迁移率分别增加到94 cm²V⁻¹s⁻¹和473 cm²V⁻¹s⁻¹。通过引入半金属锑（Sb）作为接触电极，实现了低至600 Ω·μm的接触电阻，并在10 nm的超短沟道长度下达到了675 μA μm⁻¹的创纪录高饱和电流密度，超过了2025年IRDS对高密度集成电路的要求。这项工作为宽带隙TMDC单层在后硅电子学中的应用铺平了道路。
背景
二维过渡金属硫族化合物（TMDC）半导体因其独特的结构和电子性质，被认为是后硅微电子学最有前途的沟道材料。特别是单层TMDC通常比硅具有更大的带隙值，这对于构建低功耗和长寿命的电子电路至关重要。然而，同时合成具有大面积和高性能的宽带隙TMDC单层仍然是一个挑战。尽管已有研究在提高MoS2单层的电子性能方面取得了一定进展，但关于高质量WS2单层晶片的合成报道仍然很少，尤其是在同时具有高晶体取向和电子性能方面。
实验细节
- CVD生长过程：使用低压化学气相沉积（CVD）过程在蓝宝石晶片上生长WS2单层。具体步骤包括将硫粉和WO3粉分别放置在反应区的不同位置，通过控制温度和气体流量来促进WS2的生长。生长温度为950-1000°C，生长时间为10分钟，整个生长阶段保持10⁻¹ Torr的压力。
- 样品转移：使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为转移介质，将WS2单层从蓝宝石基底转移到目标基底上。首先在WS2/蓝宝石基底上旋涂PMMA溶液，然后通过热释放胶带将PMMA/WS2堆叠层从蓝宝石基底上剥离，并转移到目标基底上，最后通过丙酮溶解PMMA。
- 器件制备和电子测量：在SiO2/Si和hBN基底上制备了大面积的场效应晶体管（FET）阵列，并通过标准微加工工艺对WS2单层进行图案化和刻蚀。使用四探针技术提取迁移率，并通过传输线测量（TLM）方法提取接触电阻。所有电子测量均在真空腔中的低温探针站中进行。
创新点
- 高定向生长策略：通过在斜切C/A面蓝宝石晶片上采用模板生长策略，实现了WS2单层的高定向生长，这为大面积、高性能TMDC单层的合成提供了新的方法。
- 电子性能的显著提升：在hBN基底上实现了高达473 cm²V⁻¹s⁻¹的场效应迁移率，以及在超短沟道长度下达到675 μA μm⁻¹的创纪录高饱和电流密度，这些性能指标均超过了当前硅基器件的水平。
- 低接触电阻的实现：通过引入Sb作为接触电极，成功降低了WS2与电极之间的接触电阻，这对于提高器件的电流承载能力和开关性能具有重要意义。
结论
本研究成功制备了高定向、晶圆级的WS2单层，并通过详细的晶体学、微观学和光谱学表征证实了其在整个晶片上的优异均匀性。电子测量结果表明，这些WS2单层具有优越的载流子迁移率和低接触电阻。更重要的是，在超短沟道长度的FET中观察到了创纪录的高饱和电流密度。这项工作不仅为WS2单层在高性能纳米电子学中的应用提供了新的思路，也为后硅电子学的发展奠定了基础。
图1. 在C/A 1°蓝宝石（0001）衬底上生长的WS2畴的单向排列。a) 蓝宝石晶体中C/A 1°偏切平面的示意图。b) 退火后C/A 1°表面的原子力显微镜（AFM）形貌图像。c) 偏切衬底上的示意性表面台阶和上方具有一致生长方向的WS2畴。d) 偏切衬底上良好排列的WS2畴的光学图像。e) 畴与裸露衬底之间的对比AFM相位图。f) 单向排列的WS2畴的光致发光（PL）图。g) 图e中两个畴的二次谐波生成的极坐标图。h) 高度定向的单层WS2的PL光谱。插图：典型的拉曼光谱。图2. 蓝宝石晶片上高度定向WS2单层的表征。a) 2英寸蓝宝石（0001）衬底上高度定向WS2薄膜的照片。b) 光致发光（PL）和c) 拉曼线扫描。d) WS2薄膜的PL峰值能量（红色）和拉曼峰值位置差异的统计图。e) 拉曼E1^2g峰强度图和f) 从插图中获取的A1g强度图。插图：带有划痕的生长态单层WS2的光学图像。g) 从图e的插图中获取的PL峰值强度图。h) WS2薄膜的原子分辨高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。插图显示了相应的衍射图案。i) 包含硫空位（黄色虚线圆）的典型HAADF-STEM图像。j) 化学气相沉积（CVD）生长和k) 机械剥离（ME）单层WS2之间原子空位统计密度的比较。来自30个（CVD）和25个（ME）局部区域的空位密度的直方图及其对应的泊松拟合。CVD（ME）单层WS2泊松拟合的平均值（[V̄]）和标准差（D）分别为8.0（30）和7.8（27.3）×10^12 cm^-2。图3. 高度定向WS2单层的电子性能。a) 上部：0.25平方厘米以上的FET（场效应晶体管）阵列的照片。插图：单元格的放大图像。下部：传输线模型（TLM）结构的放大视图。b) 电荷迁移率随沟道长度的变化关系。插图：WS2 FETs迁移率值的统计分布。c) 使用来自图a中器件的TLM方法提取的接触电阻Rc。从上到下，二维载流子浓度n2D分别为2.4 × 10^12 cm^-2、4.9 × 10^12 cm^-2、7.1 × 10^12 cm^-2和9.1 × 10^12 cm^-2。d) 制造的WS2/hBN/SiO2/Si FET的光学图像。右侧：hBN、单层WS2和Sb/Au电极的高度轮廓。e) 在不同温度下，由hBN和SiO2衬底支撑的CVD（化学气相沉积）和剥离WS2的迁移率比较。f) 在不同制备方法（包括分子外延（ME）、CVD和金属有机化学气相沉积（MOCVD））下，文献中报道的单层WS2 FETs的平均迁移率比较。图4. 短沟道单层WS2场效应晶体管（FETs）的电学性能。a) 埋栅WS2 FET的示意图。b) 沟道长度为100纳米、在漏源电压Vds=0.1伏特下的FETs的传输特性曲线。图b中的插图显示了器件阵列的放大图像。c) 导通电流随温度变化的函数关系。d) 沟道长度Lch在实际应用中从10纳米到50纳米变化的短沟道FETs的扫描电子显微镜（SEM）图像。e) 10纳米短沟道WS2 FET的输出特性。插图显示了相应的传输特性曲线。f) 单层WS2 FETs在漏源电压Vds=1伏特下的Ion基准值。
https://doi.org/10.1002/adma.202414100
