2D 边缘籽晶异质外延超薄高 κ 电介质 CaNb2O6：开启 2D 场效应晶体管新征程

为解决二维（2D）场效应晶体管（FET）中高质量超薄 2D 高 κ 电介质的可扩展合成难题，研究人员开展了 2D 边缘籽晶异质外延合成超薄非层状 2D CaNb2O6纳米片的研究。结果显示，该纳米片性能优异，此研究为 2D 电子应用提供了新方向。

　　在纳米科技飞速发展的当下，二维（2D）场效应晶体管（FET）作为未来电子设备的核心组件，承载着人们对高性能、低功耗电子产品的期望。然而，其发展却遭遇了诸多瓶颈。在众多影响因素中，高质量超薄 2D 高 κ 电介质的可扩展合成成为了关键难题。传统的三维非晶氧化物电介质，如 HfO₂和 Al₂O₃，在硅技术中表现良好，但在 2D FET 中却因界面问题导致性能下降。尽管人们尝试了分子籽晶层生长和快速热退火钝化等策略，却仍无法彻底解决问题。而 2D 层状绝缘体，虽然具有无悬挂键表面等优势，能降低界面载流子散射，但同时满足高介电常数和高击穿场强的材料稀缺，且难以在保持介电性能的同时将等效氧化物厚度（EOT）缩小到 1nm 以下。此外，非层状 2D 材料虽在磁性、电子和光电器件领域有所进展，但目前合成的纳米片存在横向尺寸小、厚度大、表面质量差等问题，缺乏可扩展的大面积生产策略。因此，探索一种能突破这些困境的新方法，成为了科研人员亟待解决的重要课题。

为了攻克这些难题，中南大学、湖南大学等多所国内高校的研究人员携手合作。他们另辟蹊径，开展了一项关于 2D 边缘籽晶异质外延合成超薄非层状 2D CaNb₂O₆纳米片的研究。最终，他们成功找到了一种通用的 2D 边缘籽晶异质外延和慢动力学策略，为 2D 非层状电介质的可扩展生长开辟了新道路，也证明了 2D CaNb₂O₆纳米片作为有前途的电介质，在推动 2D 电子应用方面具有巨大潜力。该研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了广泛关注。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是化学气相沉积（CVD）技术，通过精心设计三明治结构前驱体，在特定条件下合成了超薄 2D CaNb₂O₆纳米片；二是多种微观表征技术，如原子力显微镜（AFM）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）等，用于对纳米片的表面形貌、原子结构和元素组成进行详细分析；三是电学性能测试技术，通过制备金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）器件和场效应晶体管（FET）器件，测试 CaNb₂O₆纳米片的介电、泄漏和器件性能等。

下面来看具体的研究结果：

• 2D 非层状 CaNb₂O₆的面内外延生长：研究人员设计了一种三明治结构前驱体，通过化学气相沉积在氟金云母基底上成功合成了超薄 2D CaNb₂O₆单晶纳米片。其生长机制是利用 Se 催化剂诱导，通过 2D 边缘诱导异质外延成核和横向外延生长，最终得到均匀、高质量的纳米片。AFM 图像显示其具有逐层生长模式，拉曼光谱和 HAADF - STEM 图像证实了其高结晶质量和独特的界面结构。
• 2D CaNb₂O₆单晶的原子结构：通过优化生长条件，研究人员实现了对 2D CaNb₂O₆厚度的调控，最薄可达 2.9nm，相当于两个单元晶胞。利用多种表征技术，如角分辨拉曼光谱、EELS、EDX 和 HAADF - STEM 等，详细研究了其晶体各向异性、原子结构和元素分布，确定了其晶格常数，进一步证实了其高质量和独特的晶体结构。
• 2D CaNb₂O₆单晶的介电和泄漏特性：理论计算和实验测量表明，2D CaNb₂O₆是一种间接带隙半导体，带隙约为 4.26eV。其介电常数在 2.9nm - 72nm 的厚度范围内保持稳定，约为 16，且在低至 0.7nm 的 EOT 下仍无明显降解。同时，它具有高击穿场强（~12MV/cm）和低泄漏电流密度，这些优异的性能使其成为 2D FET 栅极电介质的潜在候选材料。
• 2D 非层状 CaNb₂O₆纳米片的表面钝化：研究人员通过制备不同结构的场效应晶体管，对比研究了 CaNb₂O₆纳米片和 SiO₂作为栅极电介质时的性能差异。发现 CaNb₂O₆纳米片具有更低的界面陷阱密度。经过空气等离子体处理后，表面陷阱密度进一步降低，表面化学环境改变，功函数提高，能带偏移更有利于晶体管性能提升。
• 背栅 MoS₂/CaNb₂O₆ FETs 的器件性能：研究人员制备了以表面功能化 CaNb₂O₆纳米片为栅极电介质的少层 MoS₂ FETs 器件。该器件具有优异的电学性能，如高达 10⁷的开 / 关电流比、低至 61mV/dec 的亚阈值摆幅、可忽略的滞后现象和低至 10^-13A 的背栅泄漏电流。即使在短沟道情况下，晶体管仍能保持良好的静电调节能力。

研究结论和讨论部分指出，研究人员通过 2D 边缘籽晶异质外延和超慢动力学生长策略，成功合成了可扩展的高质量超薄非层状 2D CaNb₂O₆纳米片。这种纳米片具有出色的介电性能、高击穿场强和低泄漏电流密度。空气等离子体处理有效钝化了表面，显著降低了表面陷阱密度。将其应用于背栅 MoS₂ FETs 中，器件性能得到显著提升。该研究不仅提供了一种合成超薄非层状 CaNb₂O₆纳米片的简便可控方法，还深入揭示了其生长机制，展示了 2D CaNb₂O₆作为高 κ 单晶电介质在 2D 电子器件中的巨大潜力，为未来 2D 电子技术的发展提供了重要的理论和实践基础。