Ultragrote eenkristal WS2 monolaag

a, eenkristal WS₂; b, Sapphire-wafel die in de industrie wordt gebruikt, is een enkel kristal; c, Experimentele afbeeldingen over de WS₂ films op saffierwafel na O₂ etsen. Krediet: Instituut voor Basiswetenschappen

Aangezien de op silicium gebaseerde halfgeleidertechnologie de limiet van zijn prestaties nadert, zijn nieuwe materialen die silicium in de technologie kunnen vervangen of gedeeltelijk vervangen, zeer gewenst. Onlangs biedt de opkomst van grafeen en andere tweedimensionale (2D) materialen een nieuw platform voor het bouwen van de volgende generatie halfgeleidertechnologie. Onder hen zijn overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD’s), zoals MoS₂, WS₂, MoSe₂, WSe₂, zijn de meest aansprekende 2D-halfgeleiders.

Een voorwaarde voor het bouwen van ultragrootschalige krachtige halfgeleidercircuits is dat de basismaterialen een enkelkristal van wafelschaal moeten zijn, net als de siliciumwafel die tegenwoordig wordt gebruikt. Hoewel er grote inspanningen zijn geleverd voor de groei van monokristallen van TMD’s op waferschaal, was het succes tot nu toe zeer beperkt.

Distinguished Professor Feng Ding en zijn onderzoeksteam van het Center for Multidimensional CarbonMaterials (CMCM), binnen het Institute for Basic Science (IBS) van UNIST, in samenwerking met onderzoeker van Peking University (PKU), Beijing Institute of Technology en Fudan University, rapporteerde de directe groei van 2-inch single-crystal WS₂ monolaagfilms zeer recent. Naast de WS₂, toonde het onderzoeksteam ook de groei van monokristallijn MoS . aan₂, WSe₂, en MoSe₂ ook op wafelschaal.

De sleuteltechnologie van epitaxiaal gegroeid een groot sing-kristal is ervoor te zorgen dat alle kleine eenkristal die op een substraat worden gekweekt, uniform zijn uitgelijnd. Omdat TMD’s een niet-centrosymmetrische structuur hebben of het spiegelbeeld van een TMD ten opzichte van een rand ervan een tegenovergestelde uitlijning heeft, moeten we een dergelijke symmetrie doorbreken door het substraat zorgvuldig te ontwerpen. Op basis van theoretische berekeningen stelden de auteurs een mechanisme voor van “door dubbele koppeling geleide epitaxiegroei” voor experimenteel ontwerp. De WS₂-saffiervlakinteractie als de eerste drijvende kracht, wat leidt tot twee voorkeursantiparallelle oriëntaties van de WS₂ eilanden. De koppeling tussen WS₂ en saffier step-edge is de tweede drijvende kracht en het zal de degeneratie van de twee antiparallelle oriëntaties doorbreken. Vervolgens zijn alle TMD-eenkristallen die op een substraat met stapranden zijn gegroeid, allemaal in één richting uitgelijnd en ten slotte leidt de samensmelting van deze kleine eenkristallen tot een groot eenkristal van dezelfde grootte van het substraat.

ab, Schematische diagrammen van WS₂ eiland op een vlak a-vlak saffieroppervlak, dat twee voorkeursantiparallelle oriëntaties heeft; cd, De unidirectionele uitlijning van WS₂ eiland gegroeid op vicinale a-plane saffier met stap. Krediet: Instituut voor Basiswetenschappen

“Dit nieuwe epitaxiegroeimechanisme met dubbele koppeling is nieuw voor beheersbare materiaalgroei. In principe kunnen we hiermee alle 2D-materialen laten groeien tot eenkristallen met een groot oppervlak als het juiste substraat wordt gevonden.” Zegt Dr. Ting Cheng, de co-eerste auteur van de studie. “We hebben overwogen hoe we theoretisch de juiste substraten kunnen kiezen. Ten eerste moet het substraat een lage symmetrie hebben en ten tweede hebben meer stapranden de voorkeur.” benadrukt professor Feng Ding, de corresponderende auteur van de studie.

“Dit is een grote stap voorwaarts op het gebied van op 2D-materialen gebaseerde apparaten. Aangezien de succesvolle groei van wafer-schaal monokristallijne 2D TMD’s op isolatoren voorbij grafeen en hBN op overgangsmetaalsubstraten, biedt onze studie de vereiste hoeksteen van 2D-halfgeleiders in high-end toepassingen van elektronische en optische apparaten”, legt professor Feng Ding uit.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.