新闻网讯（通讯员 翟天佑）12月21日，《自然电子学》（Nature Electronics）杂志在线发表了我校材料学院、材料成形与模具技术国家重点实验室翟天佑教授团队题为“基于无机分子晶体薄膜的晶圆级范德华介电材料”（Awafer-scale van der Waals dielectric made from an inorganic molecular crystal film）的研究论文。
以石墨烯为代表的二维材料具有原子级的厚度和优异的光电性能，因其在下一代光电子器件领域具有广阔的应用前景而备受关注。然而，将二维材料与传统介电材料（如SiO2）进行器件集成时，介电材料表面的悬挂键和无序态会严重影响二维材料的性质，使得器件性能大打折扣。而采用层状介电材料（如hBN）替代传统介电材料进行器件构筑，能显著降低介电材料对二维材料的影响，制备出高性能的二维材料光电子器件。但该类器件制备通常依赖于机械转移和范德华组装的方法，与半导体生产工艺不兼容，难以实现器件规模化制备。针对以上难题，翟天佑教授团队另辟蹊径，利用无机分子晶体表面无悬挂键的结构特点，通过热蒸镀方法实现了晶圆级范德华介电薄膜的可控制备。该方法与半导体制备工艺兼容，为高性能二维半导体器件的制备和规模化集成打开了全新的思路。
图2：热蒸镀实现晶圆级范德华介电薄膜可控制备的示意图。蒸镀工艺高度可控，且与半导体制备工艺兼容，易于实现规模化制备。
典型的层状二维材料（如石墨烯）在层间由弱范德华力结合，层内由强化学键结合。与之完全不同的是，无机分子晶体Sb2O3以无悬挂键的笼状小分子为结构单元，在三维方向上均由范德华力结合（图1 b所示）。在热蒸镀过程中，分子结构得以保持（图1a），制备出的晶圆级介电薄膜表面无悬挂键（图1c）。与SiO2等传统介电材料相比，Sb2O3薄膜表面具有更少的载流子散射源和陷阱态，将其作为介电层与二维半导体构筑而成的场效应晶体管具有更高的迁移率和工作稳定性。对比实验中，单层MoS2场效应晶体管的迁移率从迁移率从26提高到了 145 cm2V-1s-1，转移特性曲线的回滞则减小了一个数量级。蒸镀的Sb2O3分子在二维材料表面可形成超薄的致密薄膜，将其作为MoS2场效应晶体管的顶栅介电层，可大幅提高栅极电容，晶体管展现出优异的栅控性能，晶体管的操作电压和功耗都得到明显降低（图2），为二维材料应用于低功耗电子器件打下了基础。
图3：以范德华薄膜作为介电材料和二维半导体MoS2作为沟道的场效应晶体管的器件示意图和器件照片以及双栅调控下的场效应晶体管的转移特性曲线。
我校为该论文第一完成单位，材料学院博士后刘开朗为论文第一作者，翟天佑教授为通讯作者。材料学院赵英鹤副教授、诸葛福伟副教授以及南京理工大学陈翔教授、河北大学巩朋来教授、安徽大学李亮教授、郑州大学胡晓宗教师等共同参与该项研究工作。本研究受到国家自然科学基金, 湖北省创新群体项目, 中央高校基本科研专项资金等资金的资助。
据悉，二维无机分子晶体的概念正是由翟天佑教授团队于2019年在国际上率先提出（Nat. Commun. 2019, 10, 4728.）。近年来，该团队在该领域展开了深入研究，先后在Nat. Commun、 Adv. Mater、 J. Am. Chem. Soc发表了多篇重要研究论文。
