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Structure latérale compliquée bidimensionnelle - Duan Xidong et Duan Xiangfeng

Duan Xidong et Duan Xiangfeng

Les matériaux en couches bidimensionnels tels que le garphène, le MoS2 et le WSe2 ont récemment suscité un intérêt considérable en tant que semi-conducteur après le Si et sont devenus une plateforme matérielle importante dans la physique de la matière condensée et dans l' électronique et optoélectronique modernes. Les études réalisées à ce jour s'appuient cependant généralement sur des flocons exfoliés mécaniquement qui sont toujours limités à de simples matériaux 2D, en particulier une structure latérale compliquée en 2D ne peut pas être réalisée par une stratégie d'exfoliation. Tout comme la technique traditionnelle des semi-conducteurs, une structure complexe telle que le contrôle de la distribution spatiale de la composition et de la structure électronique d'un matériau semi-conducteur bidimensionnel est essentielle pour construire tous les dispositifs électroniques et optoélectroniques modernes, y compris les transistors, les diodes p???n, les dispositifs photovoltaïques/photodétection. Et de nombreux phénomènes physiques ne peuvent apparaître que dans une structure plus complexe. Pour explorer pleinement le potentiel de cette nouvelle classe de matériaux, il est nécessaire de développer des stratégies de synthèse rationnelles de structures latérales compliquées à deux dimensions, telles que l'hétérostructure latérale, la multihétérostructure, le super-réseau, le puits quantique, etc ., avec un décalage de réseau relativement faible (~4 %) entre MoS2 et MoSe2 ou WS2 et WSe2, il est possible de produire des hétérostructures cohérentes MoS2???MoSe2 et WS2???WSe2 par un processus d'épitaxie latérale ( Fig. 1a). Nos études indiquent qu'une simple croissance séquentielle ne parvient souvent pas à produire les hétérostructures souhaitées car le front de croissance des bords peut être facilement passivé après la fin de la première croissance et l'exposition aux conditions ambiantes. Il est important de conserver un front de croissance de bord frais et non passivé pour une croissance épitaxiale latérale successive. À cette fin, nous avons conçu un procédé CVD thermique qui permet la commutation in situ des réactifs en phase vapeur pour permettre la croissance épitaxiale latérale d'hétérostructures latérales TMD à une ou plusieurs couches. Nous avons utilisé cette technique pour réaliser la croissance de MoS2 modulé en composition ???
 Hétérostructures latérales MoSe2 et WS2???WSe2. Dans la figure 1 b, c, d, e, on peut voir clairement la formation d'hétérostructures latérales WS2 ??? Les hétérostructures latérales WS2???WSe2 avec des caractéristiques de type p et n peuvent également nous permettre de construire de nombreux autres dispositifs fonctionnels, par exemple un inverseur CMOS. La figure 1g est l'image optique de l'inverse construit en utilisant les hétérostructures latérales WS2???WSe2 et les courbes de sortie???entrée et de gain de tension. Le gain de tension atteint jusqu'à 24. Dans un processus de croissance séquentielle typique pour une hétérostructure latérale 2D, la dégradation thermique excessive ou la nucléation incontrôlée pendant l'oscillation de température entre les étapes de croissance séquentielles représente le principal obstacle à la formation fiable d'une hétérostructure monocouche ou d'une autre structure latérale compliquée. de la source de vapeur chimique n'a été appliqué qu'à la température de croissance exacte. Avec un tel flux inverse, les matériaux monocouches existants ne seront pas exposés à une température élevée ni à une source de vapeur chimique lors des étapes d'augmentation et de diminution de la température afin de minimiser la dégradation thermique et d'éliminer la nucléation homogène incontrôlée. Avec un haut degré de contrôlabilité à chaque étape, l'intégrité et la qualité des hétérostructures monocouches peuvent être bien préservées après plusieurs étapes de croissance séquentielles. Nous avons initialement utilisé notre approche pour la synthèse générale d'un large éventail d'hétérostructures cristallines 2D. Nous avons aussi développé des super-réseaux ou des multihétérostructures modulés en composition plus complexes, le nombre de périodes et l'espacement répété pouvant varier facilement au cours de la croissance. L'analyse HADDF-STEM de la structure atomique des hétérostructures latérales et des multihétérostructures montre que l'interface atomiquement nette peut être clairement observée.