近日，電子科學與工程學院王欣然教授、王肖沐教授和施毅教授團隊在二維材料領域取得重要進展，相關成果分別以“Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire”和“Observation of Chiral and Slow Plasmons in Twisted Bilayer Graphene”為題，5月4日同期在線發(fā)表于《自然》。

發(fā)現(xiàn)扭角石墨烯中等離激元新物態(tài)

表面等離激元，對光場具有亞波長尺度的局域能力,在微納光子學和集成光電器件、超分辨成像等領域有廣闊的應用前景。傳統(tǒng)等離激元金屬和環(huán)境介質(zhì)的光學性質(zhì)密切相關，容易受到金屬歐姆損耗和環(huán)境因素影響。拓撲特性中的邊緣態(tài)可以對等離激元實現(xiàn)保護，抑制損耗，探索這類等離激元新模式有望幫助解決等離激元納米光子器件損耗高的關鍵問題。

王肖沐教授和施毅教授研究團隊，在扭角石墨烯材料中提出并實現(xiàn)了一類全新的等離激元模式：手性貝利等離激元。研究團隊根據(jù)扭角石墨烯的結(jié)構手性，揭示了強關聯(lián)能態(tài)的拓撲特性，預言了非零貝利曲率在中紅外頻段可以引入反常霍爾電導。在此基礎上，團隊制備了具有長程高度有序摩爾超晶格的扭角石墨烯材料，并系統(tǒng)地研究了紅外表面等離激元響應。觀測到了具有手性特征的貝利等離激元邊緣態(tài)，并驗證了通過電場調(diào)控實現(xiàn)的開關操作。研究成果通過拓撲邊緣態(tài)保護等離激元，有效降低了損耗，在中遠紅外光電器件、量子計算和納米光學等方面具有巨大應用潛力。

圖1 扭角石墨烯示意圖（a）及光學顯微鏡圖像（b）（c）扭角石墨烯納米條帶中的紅外等離激元響應。在15微米（650cm-1）長波紅外范圍內(nèi)，手性納米條帶中出現(xiàn)新的具有拓撲特性的貝利等離激元新模式。

扭角石墨烯是一類具有豐富多體相互作用的強關聯(lián)電子材料。通過改變層間扭轉(zhuǎn)角度，摻雜等條件，可以對電子的能態(tài)進行靈活地調(diào)控，實現(xiàn)超導、拓撲等奇異物態(tài)。研究團隊指出，由于扭角石墨烯自身的非中心對稱結(jié)構，在打破時間反演對稱性的條件下，會產(chǎn)生非零的貝利曲率，進而在材料中引入非零的橫向光電導（即反?；魻栯妼В?。將這種拓撲能態(tài)與等離激元結(jié)合，可以有效降低其散射損耗。研究團隊依據(jù)這樣的思路，制備了大面積的“魔角”（1.08°扭角的雙層石墨烯），并在其上構筑了具有手性結(jié)構的納米條帶。

圖2 光照強度（a）和靜電摻雜（b）對手性貝利等離激元邊緣模式共振能級劈裂的調(diào)控作用。

在這種同時打破空間和時間反演對稱性的條件下，非零貝利曲率在納米條帶中通過拓撲邊緣態(tài)形成了手性貝利等離激元新模式。實驗上，手性等離激元以共振峰位的劈裂為標志。而通過光強和摻雜，可以調(diào)控貝利曲率的大小，進而調(diào)制能級劈裂的開關。手性等離激元存在的另一個證據(jù)是零磁場法拉第效應，即光通過材料時其偏振方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。實驗中實現(xiàn)了高達15°的極化旋轉(zhuǎn)。這些非磁場下的奇異光學效應，在制作偏振片等重要光學應用上有著廣泛的前景。

南京大學王肖沐/施毅教授團隊，專注于于高性能紅外光電器件的研究工作。近年來，獲得了以彈道雪崩光電探測器（Nature Nanotechnology,14,217(2019））和能谷光電子器件（Nature Nanotechnology,15,743(2020））為標志的系列創(chuàng)新成果。本次的研究工作，是該團隊在廣泛國際合作支持下，通過體系強相互作用和谷電子特性對光子進行有效調(diào)控實現(xiàn)的一個突破性進展。南京大學電子科學與工程學院碩士生黃天燁為第一作者，電子科技大學李雪松教授課題組完成了單晶石墨烯的生長工作，明尼蘇達大學 Tony Low教授課題組完成了主要計算工作，中科院沈陽金屬所楊騰研究員、北京計算所邵磊副研究員的課題組協(xié)助完成了部分計算工作。南京大學微制造與集成工藝中心在微加工方面給予了重要的支持。該工作得到國家科技部重點研發(fā)計劃、自然科學基金重點項目、江蘇省雙創(chuàng)團隊和中科院先導計劃等項目資助。

突破雙層二維半導體外延生長核心技術

集成電路摩爾定律是推動人類信息社會發(fā)展的源動力。當前，集成電路已經(jīng)發(fā)展到5nm技術節(jié)點，繼續(xù)維持晶體管尺寸微縮需要尋求材料的創(chuàng)新。近年來，以MoS2為代表的二維半導體在電子器件和集成電路等領域獲得了迅速的發(fā)展，王欣然教授課題組在該領域長期積累，2021年在《Nature Nanotechnology》連續(xù)報道了大面積MoS2單晶制備以及MoS2驅(qū)動的超高分辨Micro-LED顯示技術兩個成果。

盡管學術界和工業(yè)界在單層二維半導體生長方面已經(jīng)取得了很大的進展，但是單層材料在面向高性能計算應用時依然受限。相比于單層MoS2，雙層MoS2具有更窄的帶隙和更高的電子態(tài)密度，理論上可以提升驅(qū)動電流，更適合應用于高性能計算。然而，由于材料生長熱力學的限制，“1+1=2”的逐層生長方法難以給出均勻的雙層，因此層數(shù)可控的二維半導體外延制備一直是尚未解決的難題。

圖3 雙層MoS2生長機制

針對該問題，王欣然教授與東南大學合作，另辟蹊徑，提出了襯底誘導的雙層成核以及“齊頭并進”的全新生長機制，在國際上首次報道了大面積均勻的雙層MoS2薄膜外延生長。研究團隊首先進行了理論計算，發(fā)現(xiàn)雖然單層生長在熱力學上是最穩(wěn)定的，但是通過在藍寶石表面構建更高的“原子梯田”，可以實現(xiàn)邊緣對齊的雙層成核，從而打破了“1+1=2”的逐層生長傳統(tǒng)模式局限（圖3）。研究團隊利用高溫退火工藝，在藍寶石表面上獲得了均勻分布的高原子臺階，成功獲得了超過99%的雙層形核，并實現(xiàn)了厘米級的雙層連續(xù)薄膜。原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜和熒光光譜等多種表征手段均證明了雙層薄膜的均勻性。進一步，團隊證明了雙層MoS2與藍寶石襯底具有特定的外延關系，以及雙層MoS2的層間具有2H和3R兩種堆垛模式，并在理論上給出了解釋。

圖4 雙層MoS2的晶體管器件性能

研究團隊進一步制造了雙層MoS2溝道的場效應晶體管（FET）器件陣列，并系統(tǒng)評估了其電學性能（圖4）。相比單層材料，雙層MoS2晶體管的遷移率提升了37.9%，達到~122.6cm2V-1S-1，同時器件均一性得到了大幅度提升。進一步，團隊報道了開態(tài)電流高達1.27 mA/μm的FET，刷新了二維半導體器件的最高紀錄，并超過了國際器件與系統(tǒng)路線圖所規(guī)劃的2028年目標。

該工作突破了層數(shù)可控的二維半導體外延生長技術，并且實現(xiàn)了最高性能的晶體管器件。南京大學電子科學與工程學院博士生劉蕾為第一作者，王欣然教授、李濤濤副研究員和東南大學王金蘭教授、馬亮教授為論文共同通訊作者，南京大學施毅教授、聶越峰教授、王鵬教授以及微制造與集成工藝中心對該工作進行了指導和支持。該研究得到了江蘇省前沿引領技術基礎研究、國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目的資助。

（文章來源：南京大學電子科學與工程學院）