图1:通过STED制造晶片级Sb2O3薄膜。制作vdW介质膜的热蒸发工艺示意图。b、Sb2O3的晶体结构。我们制作的4英寸的Sb2O3薄膜。d、对膜厚的精确控制。信用证:DOI:10.1038/s 14928-021-00683-w范德瓦尔斯(vdW)电介质是具有介电特性并受范德瓦尔斯力影响的材料，通常集成在电子设备中，因为它们有助于保持2D半导体材料的特性。然而，迄今为止，制造这些材料并将其与半导体集成已被证明具有挑战性，主要是因为合成它们需要复杂的技术，如机械剥离或气相沉积工艺。华中科技大学和中国其他研究所的研究人员最近设计了一种替代策略，利用无机分子晶体薄膜在晶圆级制造vdW电介质。发表在《自然电子》杂志上的一篇论文中介绍的这一策略为wdW薄膜的制造开辟了新的可能性，这反过来又可能导致各种高性能2D器件的发展。
进行这项研究的研究人员通过电子邮件告诉TechXplore，“这篇论文最初受到了我们以前的一项研究工作的启发。“2019年，我们在《自然通讯》上发表了一篇论文。在这项工作中，我们报道了超薄Sb2O3晶体薄片的生长。”
翟天佑和他的同事在之前的工作中介绍的超薄晶体薄片具有独特且非常有趣的结构，这与石墨烯和二硫化钼等2D材料的层结构有很大不同。Sb2O3晶体不是分层排列的，而是由笼状结构的微小分子组成，它们都通过vdW相互作用相互连接。
“当我们意识到将电介质材料与2D半导体集成以构建高性能器件的困难时，我们开始考虑使用我们的无机分子晶体的可能性，”研究人员说。“我们最近研究的目标是解决2D设备开发中的这个长期问题。”
范德瓦尔斯电介质本质上是表面没有悬挂键的电介质材料。翟和他的同事发现，这种悬空键的缺失最终使得它们能够与2D半导体集成，从而用于开发高性能器件。
以Sb2O3薄膜为介质栅控的二硫化钼场效应晶体管的原理图和光学图像，以及该场效应晶体管的传输特性曲线。研究人员解释说:“我们利用了无机分子晶体的特殊晶体结构。“由于微弱的vdW相互作用，小分子可以很容易地蒸发而没有结构损失。这意味着分子在蒸发沉积过程中升华，然后这些蒸发的分子沉积在目标衬底上，形成薄膜。”
与大多数以前提出的制造电介质的策略相反，翟和他的同事设计的制造方法是可扩展的，并且可以容易地用于生产晶片级薄膜。此外，它大大简化了vdW电介质与2D材料的集成。
“我认为这项工作最重要的成就是，我们开发了一种全新的方法来解决我们研究领域的一个重要问题，即2D材料的重点领域，”研究人员说。"利用无机分子晶体的特殊结构，我们开发了一种制备vdW薄膜的新方法."
在未来，新的制造方法可以大规模生产基于2D半导体的高性能器件。值得注意的是，他们设计的热蒸发策略也与当前的互补金属氧化物半导体制造工艺兼容。
在开发新的制造方法时，翟和他的同事从他们之前工作中报道的Sb2O3晶体薄片的独特分子结构中获得了灵感。因此，到目前为止，他们只将其应用于这些薄片。
在他们未来的工作中，他们希望找到其他具有类似结构和潜在更有利特性的无机材料，例如更大的坏间隙、介电常数和击穿电压，以及更低的电流泄漏率。这可能有助于进一步提高2D设备的性能。
“希望在我们接下来的研究中，我们可以找到一种类似的材料，可以支持2D器件的制造，表现出与最先进的硅场效应晶体管相当的性能，”研究人员补充道。“与此同时，我们也在努力研究这种vdW薄膜的基本特性，尤其是纳米厚度的薄膜。自我们的工作发表以来，一些研究人员与我们联系，并要求我们与我们合作。当我们的努力与其他研究人员的想法结合在一起时，我们无法预测未来我们能做什么，但我们觉得在不久的将来我们会进行许多研究。"
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