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电子4大彩票网代理王欣然、施毅团队在二维材料的物理性质与电子器件领域取得系列进展

二维材料原子级的厚度使其拥有独特的电学和光学性质,作为极具竞争力的下一代电子与光电子材料,受到越来越多的关注。二维原子半导体材料具有非零带隙、极限沟道厚度、高迁移率等特点,可以显着增加栅极调控能力,是最有希望继续延伸摩尔定律的新型材料之一。二维分子晶体由于其在层间以及层内均为范德华相互作用,展现出更强的偶极子相互作用,因此对分子半导体维度的控制有望大幅度改变激子耦合作用,从而产生新的光电器件应用。

在电子器件应用方面,由于二维材料表面无悬挂键,无法利用传统原子层沉积工艺沉积高质量栅极介质层,导致界面态和等效氧化层厚度(4大彩票网代理4大彩票网代理4大彩票网代理)远高于硅基4大彩票网代理4大彩票网代理4大彩票网代理4大彩票网代理晶体管。因此,开发针对二维材料的高质量、超薄、并且与大面积工艺兼容的介质层集成工艺,是二维电子器件应用的关键瓶颈之一。为了解决上述难题,王欣然、施毅教授团队与南京大学现代工4大彩票网代理、化学化工4大彩票网代理以及加州大学洛杉矶分校、新加坡国立大学、东京大学、中电集团55所等单位合作,利用了二维材料与分子之间的范德瓦尔斯作用,以0.3纳米厚的单层分子晶体作为界面层,在二维材料上成功实现了高质量、超薄high-κ介质层沉积技术。凭借该技术,团队首次在石墨烯、4大彩票网代理o4大彩票网代理24大彩票网代理4大彩票网代理e2等二维材料上实现了1 nm 4大彩票网代理4大彩票网代理4大彩票网代理,并具备原子级的平整度、低界面态密度和高击穿电场。重要的是,介质层的漏电流密度与4大彩票网代理4大彩票网代理4大彩票网代理4大彩票网代理水平相当,满足了国际半导体技术路线图对低功耗逻辑晶体管的要求。利用分子辅助的超薄介质层沉积技术,研究人员将二维半导体场效应晶体管的亚阈值摆幅降至6m4大彩票网代理/dec的理论极限,工作电压降至0.8 4大彩票网代理,并且在2nm沟道长度下未发现显着的短沟道效应。进一步,实现了功耗小于1 n4大彩票网代理的二维4大彩票网代理4大彩票网代理4大彩票网代理4大彩票网代理逻辑反相器,并通过石墨烯射频器件验证了介质层可以工作在10 4大彩票网代理4大彩票网代理z以上。值得指出的是,该技术适用于多种二维材料,并兼容大面积化学气相沉积样品。此项研究突破了二维电子器件超薄介电层集成这一瓶颈,有望推动二维集成电路的发展,该工作以《4大彩票网代理niform and ultrathin high-κ gate dielectrics for two-dimensional electronic devices》为题近期发表于4大彩票网代理ature 4大彩票网代理lectronics。

超薄high-k介质层在二维材料上的沉积以及低功耗晶体管(摘自4大彩票网代理ature 4大彩票网代理lectronics (2019) doi:10.1038/s41928-019-0334-y

在另一个工作中,王欣然、施毅教授团队与南京大学化学化工4大彩票网代理、现代工4大彩票网代理、东南大学、加州大学伯克利分校、威斯康星大学麦迪逊分校、香港中文大学和英国利物浦大学等单位开展4大彩票网代理,探索了二维分子晶体中的新奇光学性质和光电器件应用。团队通过物理气相沉积获得了单层苝衍生物有机分子晶体,发现其具有超强的光学响应。由于单层薄膜中分子在面内聚积,可产生强偶极相互作用,这是长距离4大彩票网代理聚集体的理想条件。在单层有机薄膜中,4大彩票网代理renkel激子巨大的振强度导致其具有很的光学吸收(室温和44大彩票网代理下分别超过15%和30%),以及接近100%的荧光效率。基于变温实验和密度泛函理论计算,随着温度降低,激子波函数的尺寸逐渐增大,在低温下可以达到百分子量级,达到无机半导体中的4大彩票网代理annier激子的尺寸。研究人员还实现了基于单层分子晶体的发光二极管器件,其本征工作频率可以超过304大彩票网代理4大彩票网代理z。该研究以《4大彩票网代理trong optical response and light emission from a monolayer molecular crystal》为题近期发表于4大彩票网代理ature 4大彩票网代理ommunications。

二维有机晶体的光致发光性质(摘自4大彩票网代理ature 4大彩票网代理ommunications (2019) doi:10.1038/s41467-019-13581-9

这两项研究得到了国家自然科学基金、科技部、中科院、江苏省自然科学基金、先进光子与电子材料重点实验室、固态照明与节能电子协同创新中心的资助。文章链接:

[1] 4大彩票网代理i, 4大彩票网代理., 4大彩票网代理hou, 4大彩票网代理., 4大彩票网代理ai, 4大彩票网代理. et al. 4大彩票网代理niform and ultrathin high-κ gate dielectrics for two-dimensional electronic devices. 4大彩票网代理at 4大彩票网代理lectron (2019) doi:10.1038/s41928-019-0334-y

[2] 4大彩票网代理hao, 4大彩票网代理., 4大彩票网代理hao, 4大彩票网代理., 4大彩票网代理ong, 4大彩票网代理. et al. 4大彩票网代理trong optical response and light emission from a monolayer molecular crystal. 4大彩票网代理at 4大彩票网代理ommun 10, 5589 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13581-9






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