人才视界|张广宇:二维材料“解锁”未来应用新场景

2021-06-28
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手机和平板电脑可以像报纸一样卷起来,隐形眼镜中集成的屏幕能够直接读取信息......这些听起来非常科幻的场景,在新型二维材料的推动下,正不断趋于现实。

二维材料是一种具有单个或几个原子层厚度的新型晶体材料,目前已经发展成为一个完整的材料体系,涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体,铁电、铁磁、反铁磁等各种类型。高质量的二维材料在探索新的物理现象及进一步扩展其在微电子和光电子领域的应用方面发挥着重要作用。

松山湖材料实验室副主任张广宇研究员所带领的二维材料团队围绕二维材料的研究、制备及应用开展了一系列工作,并取得了国际领先的研究成果。

 

突破传统半导体器件性能限制

 

如今,“石墨烯”已成为大众所熟知的“明星材料”,石墨烯电池等产品也已逐步在商业领域有所应用。早在2004年,英国曼彻斯特大学Andre Geim教授课题组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯,从而引发了二维材料研究的热潮,相关研究者因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

胶带剥离的石墨烯

 

近年来,在半导体器件发展微型化和柔性化的驱动下,二维材料由于其优异的光、电、机械性能(例如高灵敏度、超高透明度以及半导体特性等),表现出了独特的优势。

“二维材料的特殊性质赋予了它们广泛的应用前景。首先在物理属性上,二维材料只有一个原子层厚度,这就使得该类材料具有超高的透明度以及良好的柔韧性。”张广宇介绍,未来,二维材料一个重要的应用方向就是柔性透明电子器件。

此外,二维材料具有超高的稳定性,有利于实现大面积异质结的外延和制备。“异质结是目前大家比较关注的一个研究方向。”张广宇表示,二维材料异质结的形成与传统材料有诸多不同之处。在传统半导体领域,异质结的大面积外延生长过程中存在界面“成键”的问题,因此对两种不同材料的晶格匹配度要求很高,这就极大的限制了可选择的材料范围,增加了工艺的复杂性。例如常见的半导体硅和氮化镓,这两种半导体材料的晶格失配度较大,很难实现高质量异质结的晶圆级外延。

异质结

 

“二维材料表面没有悬键,外延生长制备的过程中对晶格匹配度要求不高,属于范德瓦尔斯外延,对材料和工艺基本没有限制要求。”张广宇表示。

二维材料的出现,为突破传统半导体器件在性能上的各种限制提供了新的途径,为实现各种功能应用提供了新的思路。

 

依托材料特性开发应用新场景

 

在不到一个指甲盖大小的面积上,可以集成超过1500个柔性二硫化钼场效应晶体管器件。2020年9月,张广宇所带领的团队在电子学期刊《Nature electronics》上发表了论文《基于单层二硫化钼场效应晶体管的大面积柔性透明电子器件》。

实验用的硅片

集成器件

 

该团队利用外延生长得到的四英寸高质量、高定向单层二硫化钼薄膜,结合传统的微加工工艺,通过优化绝缘层与接触电阻,制备出了大面积柔性透明的二硫化钼场效应晶体管及各种逻辑器件。器件表现出了优异的特性:晶体管器件密度可达1518个/平方厘米,成品率高达97%,是目前已报道结果中最高指标,处于国际领先水平;单个器件也表现出较好的电学性能和柔韧性。

张广宇指出,“目前,成熟的半导体工艺多采用8寸或者12寸硅材料晶圆,尺寸越大,集成芯片就越多,成本也越低。所以要实现大尺寸二硫化钼晶圆的制备也是一样的思路,但是越大的尺寸,也意味着更高的技术要求。”

                                         

大面积高质量的二硫化钼薄膜的制备,还存在晶粒尺寸较小、晶界多、取向随机等问题。为解决这一难题,张广宇团队利用自主设计搭建的多源化学气相沉积系统,采用立式生长和多点形核的方法,在蓝宝石衬底上外延制备出了四英寸高质量连续的单层二硫化钼晶圆。

他这样形容其中的原理,“就像拿一个喷壶往墙上喷水,第一代设备只有一个喷头,这时喷的区域比较小;第二代设备是用三个喷头一起喷,这样喷出的面积就能扩大三倍;第三代设备是用六个源一起喷,这种情况下喷出的区域更大,更均匀。”

“二维半导体材料具有很多优异的特性,可以弥补硅以及其它半导体材料在应用方面的不足,发挥材料自身的优势,实现一些新的、更加契合的应用场景。比如柔性可穿戴器件,超灵敏探测器等。”他表示,二维材料不是万能的,而是有适合自身的特殊应用场景,应该利用这些特点来开发它相对应的产品。

 

加速组建优秀人才团队

 

对张广宇来说,二维材料并非一个新的研究领域,他自回国以后从事该方面研究,截止到目前,他已经在该领域整整耕耘了13年。在中国科学院物理研究所,张广宇组建了一个能在二维材料方面开展高水平实验工作的研究小组,并取得了一系列具有国际水准的原创性工作。不过在中国科学院物理研究所,他所带领的研究小组偏向于二维材料的理论及基础研究,而在松山湖材料实验室,他带领的二维材料团队,则更偏向于二维材料在应用方面的研究,如探索二维材料在柔性超高清显示方面的应用等。

2019年初,松山湖材料实验室二维材料团队开始起步建设。他表示,二维材料团队主要聚焦有应用前景的材料研究。二维材料要真正应用到实际生活中,还要经历一段必不可少的过程,包括验证二维材料在原理和技术上的可行性,优化各种工艺参数、提高器件各方面性能等。

“我们更关注的是器件的性能,计划用新型的二维材料来做电子器件。”他指出,目前团队主要聚焦二维半导体材料的应用技术研究,面向信息应用器件,包括晶体管元器件、显示屏中像素驱动电路、信息存储、逻辑运算、自旋电子学和磁性二维材料的研究等。

二维材料团队作为一个新团队,团队搭建是最重要的工作之一。目前团队固定成员不到十人,均具有不同的研究背景。“既有做材料的,也有做器件的;既有做加工和器件制备的,也有做表征和测量的......”张广宇表示,团队工作需要成员相互配合,这样才能更加高质量、高效率开展研究工作。

随着松山湖材料实验室建设步入正轨,越来越多优秀的海外研究人才选择加入实验室,在此开展自己的科研工作。团队中两位骨干青年科研人才,就是张广宇到欧洲宣讲时招聘引进的。在他看来,这是一个不错的兆头。“松山湖材料实验室作为广东省布局建设的新型科研机构,各方面资源相对充足,具备较强的吸引力。同时东莞也为科研人才提供了一个能够安心做事、专心科研的舞台。”

 

 

撰稿:综合事务管理部 × 南方日报