第一作者：Congcong Zhang, Teng Tu, Jingyue Wang，Yongchao Zhu
通讯单位：北京大学
【研究亮点】
硅基晶体管在亚十纳米技术节点的微缩面临着界面缺陷和超薄硅通道的栅极电流泄漏等重大挑战。对于下一代纳米电子学，具有原子厚度和无悬键表面的高迁移率二维 (2D) 层状半导体有望作为通道材料，以实现更小的通道尺寸、更少的界面散射和更有效的栅极场渗透。然而，二维电子学的发展受到一些因素的阻碍，例如缺乏具有原子级平坦和无悬键表面的高介电常数 (κ) 电介质。作者报道合成单晶高 κ（κ ≈16.5）范德瓦尔斯层状电介质 Bi2SeO5。厘米级 Bi2SeO5 单晶可剥离成大约250 × 200 μm2、薄至原子级单层平面纳米片。并且，使用Bi2SeO5 纳米片作为介电层和封装层，Bi2O2Se、MoS2 和石墨烯等二维材料显示出优越的电子性能。
【主要内容】
自晶体管诞生以来，寻找高介电常数 (κ) 介电材料并将其应用于通道材料一直是核心任务。当装置尺度被减薄到原子水平时，例如在二维 (2D) 电子设备中，这一点变得至关重要，因为电荷载流子将对介电通道界面处的散射中心更加敏感：例如，应变、悬键和杂质。因此，具有无悬键和原子平坦表面的范德华 (vdW) 电介质比Si工业中使用的HfO2、SiO2 等更适合二维电子产品。例如，六方氮化硼 (hBN) 已被广泛用作器件中的 vdW 电介质，以实现高载流子迁移率（甚至是声子限制迁移率），从而能够研究量子霍尔效应 (QHE)、二维超导性、二维铁磁性和莫尔物理学。鉴于 hBN 具有相对较低的介电常数（κ ≈3.5），研究人员尝试寻找新的高 κ vdW 层状电介质，其具有无悬键的原子级光滑表面和高击穿场强 (Ebd)，以便更强的栅极控制，从而可以实现较低的工作电压。最新进展包括层状过渡金属氧化物的发现，如 MoO3、V2O5 和 WO3，但氧化物中的中性氧空位可能会导致电流泄漏。
基于此，北京大学彭海琳课题组报道通过简便的化学气相传输 (CVT) 方法合成厘米级层状高 κ 绝缘体亚硒酸铋 (Bi2SeO5) 单晶。自合成的 Bi2SeO5 单晶具有厘米级尺寸。由于其 vdW 层状结构和较小的解离能 (26 meV Å−2)，Bi2SeO5块状晶体可以有效地剥离成大至 250 × 200 μm2、薄至单层的原子级平面纳米片。实验测量发现，面外介电常数和击穿场强分别为约 16.5 和 10 MV cm−1。进一步研究发现，Bi2SeO5 纳米片可以用作二维半导体的封装层和栅极电介质。其高 κ 值允许对电荷载流子进行强大的栅极控制并减少封装器件中的散射。同时，电介质的原子平坦表面将迁移率提高 250%，并保证在 2D Bi2O2Se 器件中观察到明显的 Shubnikov–de Haas (SdH) 振荡和 QHE，其从未在 2D Bi2O2Se 中观察到。
图1. vdW 层状 Bi2SeO5 单晶的结构与表征
图2. vdW 层状 Bi2SeO5 纳米片的剥离和表征
图3. vdW 层状 Bi2SeO5 的介电性能
图4. Bi2SeO5 纳米片封装的 2D Bi2O2Se 的传输特性
文献信息
Congcong Zhang, Teng Tu, Jingyue Wang，Yongchao Zhu et al. Single-crystalline van der Waals layered dielectric with high dielectric constant. Nature Materials (2023).
***/articles/s41563-023-01502-7
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