湖南大学刘渊团队提出二维半导体应变工程新途径

二维半导体由于其超薄的体厚度和没有悬挂键的表面，可以承受更强的机械应变，并且还可以容易地集成在各种柔性塑料和表皮表面上，而没有工艺限制这些优异的性能使得二维半导体在下一代柔性、可拉伸、可穿戴和可植入器件中具有广阔的应用前景。然而，由于其单层原子厚度，如何有效地对二维半导体施加应力一直是一个亟待解决的问题。

最近，湖南大学刘源课题组通过增强柔性衬底与二维半导体之间的相互作用力，避免了应力调节过程中两者之间的滑动，获得了更大的半导体能带和光电性能的应力调节。相关工作被命名为“通过聚合物封装的2D材料的效率模块”，最近在《自然通讯》杂志上在线发表。

半导体的应力工程已广泛应用于各种半导体器件中例如，通过应力调节，硅晶体管的载流子迁移率可以增加80%以上，并且该技术也广泛用于45纳米节点芯片工艺。在现代微电子学中，硅沟道应变工程是通过在接触区中离子注入比硅大/小的原子来实现沟道中的压缩/拉伸然而，由于晶格脆弱，现有的离子注入方法难以应用于二维半导体。因此，二维半导体的应力控制是通过在柔性衬底上直接剥离或转移来实现的然而，由于二维半导体和衬底之间的弱范德华力，很难有效地将应力从衬底转移到二维材料的晶格在应力施加过程中，材料和基底之间将发生相对滑动，导致低应力调节。

在本课题中，研究人员报道了一种简单的应变工程方法:通过旋涂将二维半导体封装在柔性衬底中，从而大大提高了衬底与材料之间的相互作用力，避免了应力施加过程中的相对滑动，有效地调节了半导体的性能通过对单层二硫化钼施加单轴应变，可以观察到300兆电子伏的带隙变化和136兆电子伏/%此外，研究人员还进行了力测量、热膨胀测量、多周期应变、加载/卸载测量等一系列实验，验证了有效的带隙调制是二维半导体与柔性衬底之间强相互作用的结果。此外，更高的应力调节已成功地扩展到其他二维半导体，为二维半导体和三维薄膜材料的应变工程技术提供了一种通用方法。

图1。旋涂封装法和传统剥离法制作二维柔性器件的示意图该旋涂封装方法可以实现更强的半导体-衬底相互作用力，从而避免应力施加过程中的材料滑动

图2。单轴拉伸应变对单层二硫化钼带隙的影响自旋封装法研究不同应力下二硫化钼的光致发光和拉曼光谱传统机械剥离法研究不同应力下二硫化钼的电子能谱、光致发光和拉曼光谱相反，自旋封装可以使能隙调节(发射光谱)和晶格拉伸(拉曼光谱)加倍

图3。多次循环的拉伸/松弛和加载/卸载弯曲试验旋转包装法经过多次循环后仍可恢复到初始状态，材料滑移可忽略不计。

图4。自旋封装对其他二维半导体的应力调节机械剥离单层钨片旋涂封装方法的应力控制旋涂封装法气相生长单层二硒钨的应力调节机械剥离单层二硫化钨的电子自旋封装方法的应力调节与传统的先前报道的剥离方法(灰色区域)相比，旋涂封装方法(蓝色区域)提供了更高的能带调节和调节效率湖南大学物理与微电子学院

李志伟是本文的第一作者，湖南大学刘元教授是本文的通信作者。湖南大学

刘元研究组主要从事新型半导体微纳电子器件的设计、制造、加工、测量和小规模逻辑电路集成。迄今为止，已发表70多篇SCI论文，总引文量超过9000篇。许多论文被选入高被引论文或热门论文。

刘元教授课题组主页:

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