近日我校物联网工程学院微电子专业顾晓峰团队肖少庆课题组（低维半导体材料与器件实验室）在二维半导体超晶格的制备方面取得突破，采用一种温和等离子体插层的新方法，成功实现了二维原子晶体分子超晶格的可控制备和光电探测器方面的初步应用。研究成果“2D atomic crystal molecular superlattices by soft plasma intercalation”发表于《Nature Communications》(2020, 11, 5960)。
传统的半导体超晶格通常只能由具有高度相似晶格对称性的半导体制成，因此具有非常相似的电子结构。二维原子晶体超晶格截然不同，它可以允许集成高度不同的二维半导体而不受晶格匹配的限制，因此具有可调节的电子性质和电子能带，更提供了现有材料无法企及的技术应用，如制造更快、耗电更少的晶体管，或者创造更高效的光电器件等。但是，目前垂直堆垛的二维原子晶体超晶格多来自于机械剥离转移的人工堆垛法以及电化学溶液插层法，前者成功率低、繁琐耗时而且无法规模化，而后者则需要惰性气体的保护或者依赖剧毒的有机溴化铵分子。
针对机械剥离转移和电化学插层等方法存在的瓶颈问题，本研究提出一种温和等离子体插层的新方法。该温和等离子体插层工艺源自于课题组自主研发的非平行板式电容耦合等离子体（CCEP）技术，CCEP不仅等离子体密度极低，而且由平面线圈两端的电压降产生的电容耦合的径向静电场起主导作用，使得正离子的运动被约束在与衬底平行的方向，因此等离子体轰击极弱，是一种极温和的等离子体。
课题组利用平行等离子体电场将等离子体中的O2+离子插入到典型二维半导体如过渡金属硫族化合物（TMDs）中亚纳米尺寸的层空间，从而构造出由TMDs单层和氧分子层相互交叠的二维原子晶体分子超晶格结构。这种二维超晶格能大大地扩张TMDs相邻层之间的间距，进而抑制了TMDs相邻层之间的范德华耦合，因此赋予了这种二维原子晶体分子超晶格奇异的物理特性，如100倍强的荧光特性和100倍高的光电流。所以，这种温和等离子插层工艺不仅是一种可以调节二维半导体层间堆叠和相互作用的潜在通用方法，还为实现二维半导体超晶格的按需可控制备打下了坚实的基础，极大地提升了二维半导体超晶格在实际光电子器件的应用潜力。
基于温和等离子体插层工艺的二维超晶格的可控制备及其光电性能展示
该研究得到了国家自然科学基金面上项目（62074070）和青年基金项目（11704159）、江苏省自然科学基金项目（BK20170167和BK20190576）、江南大学自主科研计划-重点项目（JUSRP51726B）的资助。物联网工程学院2016级微电子学与固体电子学硕士研究生张露芳为第一作者，课题组南海燕副教授为共同第一作者，课题组负责人肖少庆教授为通讯作者。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19766-x
文章背后的故事：
https://devicematerialscommunity.nature.com/posts/2d-atomic-crystal-molecular-superlattices-by-soft-plasma-intercalation
