2篇【Nature】南京大学在二维材料领域取得重要进展

原标题:2【自然】南京大学在二维材料领域取得重要进展

近期，南京大学电子科学与工程学院、王、、石毅教授团队在2D材料领域取得了重要进展。相关成果名为“蓝宝石上双层钼蜕变的均匀核与病理学”和“扭曲双层图中手征慢等离子体的观测”，于5月4日在线发表在《自然》杂志上。

扭曲石墨烯中等离子体激元新状态的发现

表面等离子体激元能够将光场局域在亚波长尺度，在微纳光子学、集成光电器件、超分辨率成像等领域具有广阔的应用前景。传统的等离子体金属与环境介质的光学性质密切相关，容易受到金属欧姆损耗和环境因素的影响。拓扑中的边缘态可以保护等离子体振子，抑制损耗。探索这种新的等离子体模式有望帮助解决等离子体纳米光子器件高损耗的关键问题。

王牧教授和石毅教授的研究团队在扭曲石墨烯材料中提出并实现了一种新型的等离子体激元模式:手性Bailey等离子体激元。根据扭曲石墨烯的手性结构，研究团队揭示了强关联能态的拓扑特征，并预言非零贝利曲率可以在中红外波段引入异常霍尔电导。在此基础上，团队制备了长程高度有序摩尔超晶格的扭角石墨烯材料，并系统研究了红外表面等离子体响应。观察到具有手征特性的贝利等离子体激元的边缘态，验证了电场调控实现的开关操作。研究成果通过拓扑边缘态保护等离子体有效降低损耗，在中远红外光电器件、量子计算、纳米光学等领域具有巨大的应用潜力。

图1扭曲石墨烯的示意图(a)和光学显微镜图像(b)和(c)扭曲石墨烯纳米带中的红外等离子体激元响应。在手性纳米带的15微米(650cm-1)长波红外范围内，出现了一个新的具有拓扑特征的Bailey等离子体激元模式。

扭曲石墨烯是一种高度关联的电子材料，具有丰富的多体相互作用。通过改变层间扭曲角、掺杂等条件，可以灵活调控电子的能量状态，实现超导、拓扑等奇异状态。研究团队指出，由于扭曲石墨烯本身的不对称结构，在打破时间反转对称性的情况下，会产生非零的贝利曲率，进而在材料中引入非零的横向光电导(即异常霍尔电导)。将这种拓扑能态与等离子体激元相结合，可以有效降低其散射损耗。基于这一思路，研究团队制备了大面积的“魔角”(扭转角为1.08°的双层石墨烯)，并在其上构建了具有手性结构的纳米带。

图2光强(A)和静电掺杂(B)对手性贝利等离子体振子边模共振能级分裂的调节。

在同时打破空和时间反转对称性的条件下，由纳米带中非零Bailey曲率的拓扑边缘态形成新的手征Bailey等离激元模式。在实验上，手性等离子体激元以共振峰的分裂为标志。通过光强和掺杂，可以控制贝利曲率，进而调制能级分裂的开关。手征等离激元存在的另一个证据是零磁场的法拉第效应，即光通过物质时偏振方向会发生偏转。实验中实现了高达15°的偏振旋转。这些非磁场中的奇异光学效应在制作偏振器等重要光学应用中有着广阔的前景。

南京大学王/石毅教授主要从事高性能红外光电器件的研究。近年来，取得了以弹道雪崩光电探测器(Nature Nanotechnology，14，217 (2019))和能量谷光电器件(Nature Nanotechnology，15，743 (2020))为标志的一系列创新成果。这项研究工作是团队在广泛的国际合作支持下，通过系统的强相互作用和谷电子特性实现对光子有效控制的突破。南京大学电子科学与工程学院硕士研究生黄天野为第一作者。电子科技大学李雪松教授研究组完成了单晶石墨烯的生长，明尼苏达大学Tony Low教授研究组完成了主要的计算工作。中科院沈阳冶金研究所杨腾研究员和北京计算技术研究所邵磊副研究员的研究小组协助了部分计算工作。南京大学微制造与集成技术中心在微加工方面给予了重要支持。本工作得到了科技部重点研发计划、自然科学基金重点项目、江苏双创团队和中科院先导计划的支持。

突破两层二维半导体外延生长的核心技术

集成电路的摩尔定律是推动人类信息社会发展的源动力。目前集成电路已经发展到5nm工艺节点，需要寻求材料创新来保持晶体管尺寸不断缩小。近年来，以MoS2为代表的二维半导体在电子器件和集成电路领域取得了快速发展。王欣然教授的研究小组在这一领域有着长期的积累。2021年连续报道大面积MoS2单晶制备和MoS2驱动的超高分辨率Micro-LED显示技术两项成果。

虽然学术界和工业界在单层二维半导体的生长方面已经取得了很大的进展，但是单层材料对于高性能计算的应用仍然是有限的。与单层MoS2相比，双层MoS2的带隙更窄，电子态密度更高，理论上可以提高驱动电流，更适合高性能计算。但由于材料生长热力学的限制，“1+1=2”的逐层生长方法很难给出均匀的双层，因此可控层数的二维半导体外延制备一直是一个未解决的问题。

图3双层二硫化钼的生长机理

为解决这一问题，王欣然教授与东南大学合作，另辟蹊径，提出了衬底诱导双层成核“齐头并进”的新生长机制。在国际上首次报道了大面积均匀双层MoS2薄膜的外延生长。研究团队首先进行了理论计算，发现虽然单层生长在热力学上是最稳定的，但是可以通过在蓝宝石表面构建更高的“原子台阶”来实现边缘对齐的双层成核，从而打破了“1+1=2”逐层生长传统模式的限制(图3)。利用高温退火工艺，研究团队在蓝宝石表面获得了均匀分布的高原子台阶，成功获得了99%以上的双层成核，实现了厘米级双层连续薄膜。原子力显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱和荧光光谱证明了双层膜的均匀性。此外，团队证明了双层MoS2与蓝宝石衬底存在特定的外延关系，双层MoS2的层间存在2H和3R两种堆叠模式，并给出了理论解释。

图4双层MoS2的晶体管器件性能

研究团队进一步制造了一个具有双MoS2沟道的场效应晶体管(FET)器件阵列，并系统地评估了其电气性能(图4)。与单层材料相比，双层MoS2晶体管的迁移率提高了37.9%，达到~122.6cm2V-1S-1，器件的均匀性大大提高。此外，该团队报告了通态电流高达1.27 mA/微米的FET，这创下了二维半导体器件的新纪录，并超过了国际器件和系统路线图计划的2028年目标。

这项工作突破了层可控的二维半导体外延生长技术，实现了最高性能的晶体管器件。南京大学电子科学与工程学院博士生刘磊为第一作者，东南大学王欣然教授、李涛涛副教授、王金兰教授、马良教授为论文合著者，南京大学石毅教授、聂岳峰教授、王鹏教授以及微制造与集成技术中心对此项工作给予了指导和支持。本研究得到了江苏省领先技术基础研究、国家重点R&D项目和国家自然科学基金的资助。

来源:南京大学

论文链接

https://nature/articles/s41586-022-04523-5

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