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計算文獻導讀（十八）：Nat. Nanotechnol. | 晶圓級硫化鉬半導體單晶外延生長機理的DFT計算分析

來源：科學10分鐘時間：2022-01-11 21:34:03 瀏覽：3209次

01

研究背景

隨著半導體技術逐漸逼近Si材料的理論制程極限，尋找新的半導體材料來替代Si具有非常重要的科學與工程意義。二維半導體材料，特別是過渡金屬二硫化合物(TMDCs)，具有延伸摩爾定律的潛力，引起了科研人員極大的研究興趣。然而，就目前來說在可擴展和工業(yè)兼容的基片上制備晶圓級TMDC單晶仍然是一個未解決科學難題。

02

研究結(jié)論

近日，來自南京大學固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室以及東南大學物理學院的研究人員合作，實現(xiàn)了在藍寶石C面上外延生長2英寸(~50 毫米)的單層二硫化鉬(MoS₂)單晶。研究人員們設計了垂直于標準藍寶石基底的沿A軸的斜切方向，這不會影響外延關系，但是由此產(chǎn)生的臺階邊緣破壞了反平行MoS₂的形核能簡并度，導致了晶核高達99%的單向性排列。

03

計算分析

圖 1. MoS₂與藍寶石(0001)面的外延關系，黑色與紅色箭頭分別代表藍寶石與MoS₂的晶格矢量

為了探索MoS₂在藍寶石C面上的生長機理，研究人員需要構(gòu)建界面模型，并通過第一性原理計算找到MoS₂在襯底上的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。首先研究人員從高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)分析的橫截面結(jié)果和反射式高能電子衍射儀(RHEED)的結(jié)果推斷出了晶體結(jié)構(gòu)的外延關系，如圖1所示，其中包含5×5 的MoS₂ 超胞 (5 × 3.16 = 15.8 ?)，這幾乎與藍寶石超胞 (2√3 × 4.76 = 16.488 ?)相稱，失配率僅為4.2%。

然后研究者對MoS₂以不同夾角吸附在藍寶石襯底上的吸附形成能進行了計算。

如圖2所示，可以看到在夾角為30°時，能量最低，這表明該角度為最穩(wěn)定的吸附結(jié)構(gòu)。

圖2. 形成能隨MoS₂與藍寶石襯底夾角變化的關系

同時可以注意到，在最小值點附近的輕微偏差將迅速使能量增加到最大值。因此，晶粒發(fā)生角度偏離最優(yōu)夾角的情況在能量上是不利的，并且疇傾向于以外延方式排列。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)0°構(gòu)型是一個局部能量最小值，這表明在一定的生長條件下獲得0°夾角的構(gòu)型是可能的。

圖 3. (a) ZZ MoS2邊吸附到臺階上的形成能受S化學勢的影響；(b)四類邊緣組態(tài)類型的形成能計算結(jié)果

在單晶生長中引入臺階除了可以降低表面對稱性，還可以打破形成能在取向上的簡并性，進而實現(xiàn)單一取向MoS₂的生長。通過第一性原理計算，研究人員考察了ZZ MoS₂邊(Zigzag形狀的邊緣)吸附到C/A臺階上的形成能。該能量會受到S的化學勢(μ_S)的影響?？紤]到MoS₂具有不同類型的ZZ-Mo和ZZ-S邊緣以及不同的S覆蓋率(0%, 50%, 100%分別表示0, 1, 2個S原子)，研究人員分別進行了對比計算，結(jié)果如圖3 (a)所示?？梢钥吹?，在富S條件下，具有100%S覆蓋的ZZ-Mo-S₂邊緣是最穩(wěn)定的組態(tài)，相比于反向疇取向的ZZ-S₂組態(tài)能量低了0.1 eV，如圖3 (b)所示。這保證了在生長初期的單相成核。從圖3 (a)的計算結(jié)果還可以看出少硫環(huán)境會降低能量效益，不利于MoS₂單向生長。