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来源：科学百晓生收集编辑：Simpson
▲第一作者：Congcong Zhang, Teng Tu, Jingyue Wang, Yongchao Zhu, Jianbo Yin
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01502-7
在十纳米以下的技术节点上，硅基晶体管的扩展面临着诸如界面不完善和超薄硅通道的栅极电流泄漏等挑战。对于下一代纳米电子学来说，具有原子厚度和无悬键表面的高流动性二维（2D）层状半导体有望作为通道材料，以实现更小的通道尺寸、更少的界面散射和更有效的门场穿透。然而，由于缺乏高介电常数（κ）的电介质和原子平坦且无悬键的表面等因素，二维电子技术的进一步发展受到巨大挑战。本研究报告了一种单晶高κ（κ大约为16.5）范德华层状电介质Bi2SeO5的简易合成方法。厘米级的Bi2SeO5单晶可以被有效地剥离成大至250×200μm2、薄至单层的原子级纳米片。有了这些Bi2SeO5纳米片作为电介质和封装层，二维材料如Bi2O2Se、MoS2和石墨烯显示出更好的电子性能。例如，在二维Bi2O2Se中，观察到量子霍尔效应，载流子迁移率在1.8 K时达到470,000 cm2 V-1 s-1。本研究的发现扩展了电介质的领域，为降低二维电子和集成电路的门电压和功耗提供了新的可能性。1、如图1a所示，Bi2SeO5在正方晶格中以Abm2空间群（a = 11.42 Å, b = 16.24 Å, c = 5.49 Å, Z = 8）结晶，并采用vdW层状结构，在[100]方向有一个共价饱和的表面。Bi2SeO5的片状晶体是通过简便的CVT方法在大约860℃下生长的，其中碘（I2）和Bi2SeO5多晶粉末分别作为传输剂和源。2、本研究通过单晶X射线衍射（XRD）分析，确定了生长的Bi2SeO5薄片的晶相和晶格参数（a≅11.44 Å，b≅16.28 Å，c≅5.49 Å，Z=8）。如图1b,c所示，这些单晶Bi2SeO5薄片的尺寸高达0.2 × 1.7 cm2，比广泛用于二维电子学的hBN块状单晶大很多。在XRD分析中，Bi2SeO5薄片被进一步确认为层状单晶，其强烈而尖锐的峰值完全归属于（h00）晶面。由于vdW间隙与(100)晶面平行，计算出的裂解能为26 meV Å-2，与hBN相当，Bi2SeO5薄片可以很容易地被裂解成薄层（图1d）。3、层状Bi2SeO5的单晶性质和vdW间隙的存在被剥离的Bi2SeO5纳米片的透射电子显微镜进一步证实。横截面高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像显示了具有vdW间隙的（001）平面（图1e,f）和（100）平面（图1g），分别对应于晶片的侧面和顶部视图。HAADF-STEM图像显示晶格常数为a≅11.2 Å和b≅15.9 Å，与XRD结果一致。▲图2|vdW层状Bi2SeO5纳米片的剥离和表征
1、单晶Bi2SeO5 vdW层的小裂解能（图1d）使大面积超平纳米片从Bi2SeO5块体到目标衬底的机械剥离变得容易了。如图2a,b所示，胶带第一次接触晶体时已经剥落了毫米大小的薄膜。反复折叠胶带，然后将其压在Si/SiO2上，在基底上留下了典型尺寸大约为100-200微米的纳米片（图2c,d）。图2d中纳米片的原子平整度被图2e中原子力显微镜（AFM）图像和高度曲线中Rq=0.16 nm的均方根粗糙度所证实。2、此外，可以得到厚度大约为1.5 nm的单层Bi2SeO5纳米片（图2f）。表面的原子平整度可以经受住恶劣环境的考验，如在空气中400℃退火10分钟，暴露在空气中8个月，或在水中浸泡24小时，其显示出良好的鲁棒性，这对实用的设备是至关重要的（图2g，h）。1、使用微波阻抗显微镜（MIM），本研究评估了Bi2SeO5纳米片的有效各向同性介电常数κeff，如图3a所示。有效的κ值随着纳米片厚度小于10纳米而逐渐下降。在其他层状材料以及传统的三维材料中已经观察到κ的这种层依赖性。在层状材料中，这种观察被暂时归因于薄层样品中交叉面极化的抑制。2、为了进一步研究κ值，本研究在经典的电容器结构中测量了纳米片、块状单晶片和多晶粉末形式的Bi2SeO5样品，如图3b所示。粉末显示的κ值大约为25.6，与图3a中的厚纳米片相似，因为它们都是沿所有晶体方向的平均数。相比之下，块状单晶和纳米片（厚度约为35纳米）显示的κ值相对较低，分别为16.5和15.5。3、电介质的另一个重要参数是承受大的门电场的能力，其最大值被称为击穿场强Ebd。通过增加电容器上的直流电压，本研究评估了Bi2SeO5纳米片的Ebd，其范围为10至30 MV cm-1，这与硅工业中的电介质如Al2O3（Ebd大约为10-30 MV cm-1）和HfO2（Ebd大约为13 MV cm-1）相当。图3c总结了在Ebd和κ两个轴上的vdW电介质的系统比较，表明Bi2SeO5的电介质参数比hBN和vdW分子晶体Sb2O3更好。▲图4|二维Bi2O2Se与Bi2SeO5纳米片封装的传输特性
原子平坦的表面、高Ebd和κ值表明，二维层状的Bi2SeO5有资格作为二维电子器件的良好电介质。为此，本研究制作了一个二维Bi2O2Se器件，其通道的一半被Bi2SeO5纳米片封装（图4a）。原位比较表明，Bi2SeO5的封装明显提高了CVD生长的二维Bi2O2Se纳米片的霍尔迁移率，在1.8 K时从43,000到153,000 cm2 V-1 s-1提高了250%。另一个完全由Bi2SeO5纳米片封装的CVD生长的二维Bi2O2Se纳米片器件在1.8 K时显示出470,000 cm2 V-1 s-1的霍尔迁移率（图4c），这比参考文献中报告的最高迁移率160,000 cm2 V-1 s-1高得多。此外，其他二维材料，例如二维MoS2，也受益于Bi2SeO5纳米片的封装，并显示出高开/关比率Ion/Ioff>108，低栅极漏电流<10-6 A cm-2，低亚阈值摆动值SS大约为70 mV dec-1，比没有封装的器件的迁移率高达一个数量级。二维器件性能的提高大概归因于无悬键和原子平坦的界面，以及高κ的介电环境，在用Bi2SeO5纳米片封装后，能更有效地屏蔽带电杂质的库仑散射。此外，具有高κ值的Bi2SeO5电介质能够实现强大的栅极可调性。如图4d所示，在Bi2SeO5电介质厚度约为28纳米的情况下，栅极电压增加5.5伏（从Vg=4.0到Vg=9.5 V）已经可以诱导载流子密度达到1.68 × 1013 cm-2，这比用hBN作为电介质的器件大几倍。总之，本研究用CVT方法合成了高κ的vdW层状Bi2SeO5电介质的单晶。该单晶具有厘米级的长度和低裂解能，有利于大的电介质层的剥离，如250×200μm2的大小和单层的厚度。层状电介质显示出大约16.5的高介电常数κ、高击穿场强Ebd>10 MV cm-1、无悬键和原子光滑的表面，这使其能够有效控制载流子密度和增加载流子迁移率，便于观察二维Bi2O2Se材料中的QHE。有了这些优点，就可以获得具有高载流子密度、高迁移率的二维电子器件，从而获得新的物理学知识。同时，在二维电子学中，栅极电压也可以降低，从而降低未来纳米电子学和集成电路的功耗。https://www.nature.com/articles/s41563-023-01502-7