中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任教授張樹辰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國普渡大學(xué)、上海科技大學(xué)的研究人員，首次在二維離子型軟晶格材料中，實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)可編程、原子級平整的“馬賽克”式異質(zhì)結(jié)可控構(gòu)筑，為未來高性能發(fā)光和集成器件的研發(fā)開辟了新路徑。近日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然》。
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，能夠在材料平面內(nèi)橫向精準(zhǔn)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)，是探索新奇物性、研發(fā)新型器件及推動器件微型化的關(guān)鍵。然而，以二維鹵化物鈣鈦礦為代表的離子型軟晶格半導(dǎo)體，其晶體結(jié)構(gòu)柔軟且不穩(wěn)定，傳統(tǒng)光刻加工等技術(shù)往往因反應(yīng)過于劇烈而破壞材料結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的橫向異質(zhì)集成。如何在此類材料中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、可控外延的橫向異質(zhì)結(jié)精密加工，是該領(lǐng)域面臨的重要科學(xué)難題。
研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，創(chuàng)新性地提出并發(fā)展了一種引導(dǎo)晶體內(nèi)應(yīng)力“自刻蝕”新方法。研究人員發(fā)現(xiàn)，二維鈣鈦礦單晶在生長過程中會自然累積內(nèi)部應(yīng)力，并巧妙設(shè)計(jì)了一種溫和的配體——溶劑微環(huán)境，能夠選擇性地激活并利用這些內(nèi)應(yīng)力，引導(dǎo)單晶在特定位置發(fā)生可控的“自刻蝕”，從而形成規(guī)則的方形孔洞結(jié)構(gòu)。隨后，通過快速外延生長技術(shù)，將不同種類的半導(dǎo)體材料精準(zhǔn)回填，最終在單一晶片內(nèi)部構(gòu)筑出晶格連續(xù)、界面原子級平整的高質(zhì)量“馬賽克”異質(zhì)結(jié)。
“這種全新的加工方法不是通過‘拼接’不同材料，而是在同一塊完整晶體中，引導(dǎo)它自身進(jìn)行精密的‘自我組裝’。”張樹辰解釋道，“這意味著，未來我們有可能在一塊極薄的材料上，直接‘生長’出密集排列的、能發(fā)出不同顏色光的微小像素點(diǎn)，為未來的高性能發(fā)光與顯示器件發(fā)展提供一種全新的備選材料體系和設(shè)計(jì)思路。”
研究突破了傳統(tǒng)工藝的局限，首次在二維離子型材料體系中實(shí)現(xiàn)了對橫向異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、可設(shè)計(jì)性構(gòu)筑。其展現(xiàn)的駕馭晶體內(nèi)應(yīng)力與動力學(xué)新范式，實(shí)現(xiàn)了單晶內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)的可編程演化，為研究理想化界面物理提供了全新平臺，也為低維材料的集成化與器件化開辟了新路徑。
審稿人對該工作做出高度評價(jià)，認(rèn)為“這是一項(xiàng)出色的研究，它通過基于溶液的技術(shù)，巧妙地利用了二維鈣鈦礦的軟離子晶格特性，對該領(lǐng)域作出了重要貢獻(xiàn)”。
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