硬核！南京大學(xué)兩項(xiàng)成果同時(shí)登上《Nature》
近日，電子科學(xué)與工程學(xué)院王欣然教授、王肖沐教授和施毅教授團(tuán)隊(duì)在二維材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果分別以“Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire”和“Observation of Chiral and Slow Plasmons in Twisted Bilayer Graphene”為題，5月4日同期在線發(fā)表于《自然》。
發(fā)現(xiàn)扭角石墨烯中等離激元新物態(tài)
表面等離激元，對(duì)光場(chǎng)具有亞波長(zhǎng)尺度的局域能力,在微納光子學(xué)和集成光電器件、超分辨成像等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)等離激元金屬和環(huán)境介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，容易受到金屬歐姆損耗和環(huán)境因素影響。拓?fù)涮匦灾械倪吘墤B(tài)可以對(duì)等離激元實(shí)現(xiàn)保護(hù)，抑制損耗，探索這類等離激元新模式有望幫助解決等離激元納米光子器件損耗高的關(guān)鍵問題。
王肖沐教授和施毅教授研究團(tuán)隊(duì)，在扭角石墨烯材料中提出并實(shí)現(xiàn)了一類全新的等離激元模式：手性貝利等離激元。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)扭角石墨烯的結(jié)構(gòu)手性，揭示了強(qiáng)關(guān)聯(lián)能態(tài)的拓?fù)涮匦?，預(yù)言了非零貝利曲率在中紅外頻段可以引入反常霍爾電導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)制備了具有長(zhǎng)程高度有序摩爾超晶格的扭角石墨烯材料，并系統(tǒng)地研究了紅外表面等離激元響應(yīng)。觀測(cè)到了具有手性特征的貝利等離激元邊緣態(tài)，并驗(yàn)證了通過電場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)的開關(guān)操作。研究成果通過拓?fù)溥吘墤B(tài)保護(hù)等離激元，有效降低了損耗，在中遠(yuǎn)紅外光電器件、量子計(jì)算和納米光學(xué)等方面具有巨大應(yīng)用潛力。
圖1 扭角石墨烯示意圖（a）及光學(xué)顯微鏡圖像（b）（c）扭角石墨烯納米條帶中的紅外等離激元響應(yīng)。在15微米（650cm-1）長(zhǎng)波紅外范圍內(nèi)，手性納米條帶中出現(xiàn)新的具有拓?fù)涮匦缘呢惱入x激元新模式。
扭角石墨烯是一類具有豐富多體相互作用的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料。通過改變層間扭轉(zhuǎn)角度，摻雜等條件，可以對(duì)電子的能態(tài)進(jìn)行靈活地調(diào)控，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)、拓?fù)涞绕娈愇飸B(tài)。研究團(tuán)隊(duì)指出，由于扭角石墨烯自身的非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在打破時(shí)間反演對(duì)稱性的條件下，會(huì)產(chǎn)生非零的貝利曲率，進(jìn)而在材料中引入非零的橫向光電導(dǎo)（即反?；魻栯妼?dǎo)）。將這種拓?fù)淠軕B(tài)與等離激元結(jié)合，可以有效降低其散射損耗。研究團(tuán)隊(duì)依據(jù)這樣的思路，制備了大面積的“魔角”（1.08°扭角的雙層石墨烯），并在其上構(gòu)筑了具有手性結(jié)構(gòu)的納米條帶。
圖2 光照強(qiáng)度（a）和靜電摻雜（b）對(duì)手性貝利等離激元邊緣模式共振能級(jí)劈裂的調(diào)控作用。
在這種同時(shí)打破空間和時(shí)間反演對(duì)稱性的條件下，非零貝利曲率在納米條帶中通過拓?fù)溥吘墤B(tài)形成了手性貝利等離激元新模式。實(shí)驗(yàn)上，手性等離激元以共振峰位的劈裂為標(biāo)志。而通過光強(qiáng)和摻雜，可以調(diào)控貝利曲率的大小，進(jìn)而調(diào)制能級(jí)劈裂的開關(guān)。手性等離激元存在的另一個(gè)證據(jù)是零磁場(chǎng)法拉第效應(yīng)，即光通過材料時(shí)其偏振方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)15°的極化旋轉(zhuǎn)。這些非磁場(chǎng)下的奇異光學(xué)效應(yīng)，在制作偏振片等重要光學(xué)應(yīng)用上有著廣泛的前景。
南京大學(xué)王肖沐/施毅教授團(tuán)隊(duì)，專注于于高性能紅外光電器件的研究工作。近年來，獲得了以彈道雪崩光電探測(cè)器（Nature Nanotechnology,14,217(2019））和能谷光電子器件（Nature Nanotechnology,15,743(2020））為標(biāo)志的系列創(chuàng)新成果。本次的研究工作，是該團(tuán)隊(duì)在廣泛國(guó)際合作支持下，通過體系強(qiáng)相互作用和谷電子特性對(duì)光子進(jìn)行有效調(diào)控實(shí)現(xiàn)的一個(gè)突破性進(jìn)展。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院碩士生黃天燁為第一作者，電子科技大學(xué)李雪松教授課題組完成了單晶石墨烯的生長(zhǎng)工作，明尼蘇達(dá)大學(xué) Tony Low教授課題組完成了主要計(jì)算工作，中科院沈陽金屬所楊騰研究員、北京計(jì)算所邵磊副研究員的課題組協(xié)助完成了部分計(jì)算工作。南京大學(xué)微制造與集成工藝中心在微加工方面給予了重要的支持。該工作得到國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)和中科院先導(dǎo)計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
突破雙層二維半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)核心技術(shù)
集成電路摩爾定律是推動(dòng)人類信息社會(huì)發(fā)展的源動(dòng)力。當(dāng)前，集成電路已經(jīng)發(fā)展到5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)維持晶體管尺寸微縮需要尋求材料的創(chuàng)新。近年來，以MoS2為代表的二維半導(dǎo)體在電子器件和集成電路等領(lǐng)域獲得了迅速的發(fā)展，王欣然教授課題組在該領(lǐng)域長(zhǎng)期積累，2021年在《Nature Nanotechnology》連續(xù)報(bào)道了大面積MoS2單晶制備以及MoS2驅(qū)動(dòng)的超高分辨Micro-LED顯示技術(shù)兩個(gè)成果。
盡管學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在單層二維半導(dǎo)體生長(zhǎng)方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是單層材料在面向高性能計(jì)算應(yīng)用時(shí)依然受限。相比于單層MoS2，雙層MoS2具有更窄的帶隙和更高的電子態(tài)密度，理論上可以提升驅(qū)動(dòng)電流，更適合應(yīng)用于高性能計(jì)算。然而，由于材料生長(zhǎng)熱力學(xué)的限制，“1+1=2”的逐層生長(zhǎng)方法難以給出均勻的雙層，因此層數(shù)可控的二維半導(dǎo)體外延制備一直是尚未解決的難題。
圖3 雙層MoS2生長(zhǎng)機(jī)制
針對(duì)該問題，王欣然教授與東南大學(xué)合作，另辟蹊徑，提出了襯底誘導(dǎo)的雙層成核以及“齊頭并進(jìn)”的全新生長(zhǎng)機(jī)制，在國(guó)際上首次報(bào)道了大面積均勻的雙層MoS2薄膜外延生長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)雖然單層生長(zhǎng)在熱力學(xué)上是最穩(wěn)定的，但是通過在藍(lán)寶石表面構(gòu)建更高的“原子梯田”，可以實(shí)現(xiàn)邊緣對(duì)齊的雙層成核，從而打破了“1+1=2”的逐層生長(zhǎng)傳統(tǒng)模式局限（圖3）。研究團(tuán)隊(duì)利用高溫退火工藝，在藍(lán)寶石表面上獲得了均勻分布的高原子臺(tái)階，成功獲得了超過99%的雙層形核，并實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)的雙層連續(xù)薄膜。原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜和熒光光譜等多種表征手段均證明了雙層薄膜的均勻性。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)證明了雙層MoS2與藍(lán)寶石襯底具有特定的外延關(guān)系，以及雙層MoS2的層間具有2H和3R兩種堆垛模式，并在理論上給出了解釋。
圖4 雙層MoS2的晶體管器件性能
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步制造了雙層MoS2溝道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件陣列，并系統(tǒng)評(píng)估了其電學(xué)性能（圖4）。相比單層材料，雙層MoS2晶體管的遷移率提升了37.9%，達(dá)到~122.6cm2V-1S-1，同時(shí)器件均一性得到了大幅度提升。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)報(bào)道了開態(tài)電流高達(dá)1.27 mA/μm的FET，刷新了二維半導(dǎo)體器件的最高紀(jì)錄，并超過了國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖所規(guī)劃的2028年目標(biāo)。
該工作突破了層數(shù)可控的二維半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了最高性能的晶體管器件。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生劉蕾為第一作者，王欣然教授、李濤濤副研究員和東南大學(xué)王金蘭教授、馬亮教授為論文共同通訊作者，南京大學(xué)施毅教授、聶越峰教授、王鵬教授以及微制造與集成工藝中心對(duì)該工作進(jìn)行了指導(dǎo)和支持。該研究得到了江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
（文章來源：南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院）
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