Nature Comm.: 湖南大学刘渊团队提出二维半导体应变工程新途径

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二维半导体由于其超薄的体厚度和无悬挂键的表面，可以承受更强的力学应变，也可以不受工艺限制轻易的集成在各种柔性塑料、皮肤表面。这些优异的性能使得二维半导体在下一代柔性、可拉伸、可穿戴、可植入器件中有着广阔的应用前景。但是由于其单层原子级别的厚度，如何对二维半导体有效的施加应力一直是一个亟待解决的问题。


近日，湖南大学刘渊课题组，通过增强柔性基底与二维半导体之间的相互作用力，避免了应力调控过程中两者之间的滑动，获得了更大的半导体能带与光电性能的应力调控，相关工作以 “Efficient strain modulation of 2D materials via polymer encapsulation”为题，于近日在线发表在Nature Communications杂志上。


半导体的应力工程已经被广泛应用于各种半导体器件中。例如，硅晶体管的载流子迁移率可以由应力调控提高80%以上，而这一技术也被广泛应用的45 nm节点的芯片工艺中。在现代微电子学中，硅沟道应变工程是通过在接触区域离子注入比硅更大/更小的原子来实现沟道中的压缩/拉伸。但是由于脆弱的晶格，现有的离子注入方法很难应用于二维半导体。因此，二维半导体的应力调控是通过直接剥离或转移在柔性基底上实现的。然而，由于二维半导体和基底之间的弱范德华作用力，应力很难有效的从基底转移到二维材料的晶格上。在应力施加过程中，材料和基底之间会产生相对滑动，导致低下的应力调控。

本课题中，研究者报告了一种简单的应变工程方法：通过旋涂方法将二维半导体封装在柔性基底中，从而极大地提高了基底与材料之间的相互作用力，避免了应力施加过程中的相对滑动，有效地调制半导体的性能。通过对单层二硫化钼施加单轴应变，可以观察到300 meV的带隙变化和136 meV /％的调制率，比之前的实验结果提高了一倍，且接近了直接/间接带隙转换所需能量。此外，研究者还进行了作用力测量，热膨胀测量，多周期应变，负载/卸载测量等一系列实验，验证了有效的带隙调制是二维半导体与柔性基底之间强相互作用的结果。此外，更高的应力调控也成功的扩展到其他的二维半导体之上，为二维半导体和三维薄膜材料的应变工程技术提供了一种通用方法。
 

图1.旋涂封装法和传统剥离法制造二维柔性器件的示意图。旋涂封装法可以实现更强的半导体-基底相互作用力，从而避免应力施加过程中材料的滑动。
 

图2.单轴拉伸应变的对单层二硫化钼带隙的带隙。a-d,使用旋涂封装方法在不同应力下的二硫化钼的光致发光和拉曼谱。e-h，使用传统机械剥离法在不同应力下的二硫化钼的光致发光和拉曼谱。相比之下，旋涂封装法可以提升约一倍的能隙调控（发光谱）与晶格拉伸（拉曼谱）。
 

图3.多个循环的拉伸/松弛和加载/卸载弯曲测试。旋涂封装法在经历多个循环后依然可以回到初始状态，展示了可以忽略的材料滑动。
 

图4.使用旋涂封装方法在其他二维半导体上的应力调控。a,b, 旋涂封装法在机械剥离的单层二硒化钨上的应力调控。c,d, 旋涂封装法在气相生长的单层二硒化钨上的应力调控。e,f, 旋涂封装法在机械剥离的单层二硫化钨上的应力调控。g,与传统的之前报道的剥离方法（灰色区域）相比，旋涂封装法（蓝色区域）提供了更高的能带调控和调控效率。

湖南大学物理与微电子学院Zhiwei Li为论文第一作者, 湖南大学刘渊教授为论文通讯作者。



课题组简介


湖南大学刘渊课题组主要从事新型半导体微纳电子器件设计、制造、加工、测量与小规模逻辑电路集成的工作。迄今共发表SCI论文70余篇，总引用为9000余次，多篇论文入选高被引论文或热点论文。

刘渊教授课题组主页：
http://grjl.hnu.edu.cn/p/EBDD2A62606786A2298D4B174260DFAD

点击“阅读原文”查看论文原文。

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