二維材料具有原子級(jí)厚度和優(yōu)異的光電性能,但同時(shí)具有較大的比表面積和較差的環(huán)境穩(wěn)定性。封裝可有效提升光電子器件的穩(wěn)定性與可靠性,然而傳統(tǒng)的封裝方法易影響二維材料的本征性能。范德華封裝(封裝層與二維材料通過(guò)范德華力結(jié)合)可維持二維材料的本征結(jié)構(gòu)并與之形成潔凈的接觸界面,被認(rèn)為是適合于二維材料光電子器件封裝的優(yōu)選方案。然而,一種工藝簡(jiǎn)單、可規(guī)模化且行之有效的范德華封裝方法仍有待開發(fā),這也是推動(dòng)二維光電子器件走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)。
近年來(lái),由二維材料垂直堆疊而成的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu),因其獨(dú)特的界面力學(xué)和物理性能而受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,相關(guān)課題研究已經(jīng)形成一個(gè)新的交叉前沿研究熱點(diǎn)。例如魔角雙層石墨烯的超導(dǎo)特性,石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定超潤(rùn)滑(超低摩擦磨損)以及過(guò)渡金屬硫族化合物異質(zhì)結(jié)的優(yōu)異光學(xué)性能等,在智能制造和器件領(lǐng)域都有著非常重要的技術(shù)應(yīng)用前景。
隨著二維材料研究的不斷深入,在過(guò)去幾年中二維范德華異質(zhì)結(jié)因其理論上具有優(yōu)異的性質(zhì)和前所未有的應(yīng)用潛力而受到了廣泛關(guān)注。二維范德華(vdW)異質(zhì)結(jié)是指將不同二維材料層垂直堆疊產(chǎn)生的結(jié)構(gòu),是目前研究最廣泛的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)。就像堆疊樂(lè)高積木一樣,各種二維材料可以按照任意順序堆疊,從而產(chǎn)生多種類型的vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這類異質(zhì)結(jié)具有垂懸無(wú)鍵表面、無(wú)晶格錯(cuò)配、平面內(nèi)強(qiáng)共價(jià)鍵和平面外弱vdW層間相互作用等特征,使vdW異質(zhì)結(jié)具有與其單個(gè)組成部分相似的突出性能。此外,層間的協(xié)同作用可以使異質(zhì)結(jié)具有更多樣化的功能,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單一的二維材料。二維異質(zhì)結(jié)具有廣泛的多樣性,賦予其在高性能電子、自旋電子和光電子器件中的應(yīng)用潛力。然而,因?yàn)閷娱g耦合能力較弱,目前合成的異質(zhì)結(jié)普遍性能不佳,這激發(fā)了研究人員尋找調(diào)節(jié)層間耦合和性能的興趣,以期為實(shí)際應(yīng)用提供匹配性能。
vdW異質(zhì)結(jié)的合成方法,分別為機(jī)械轉(zhuǎn)移-堆疊法、化學(xué)氣相沉積/輸運(yùn)(CVDVCVT)、物理氣相沉積/輸送(PVD/PVT),vdW異質(zhì)結(jié)性能調(diào)制方法,即機(jī)械轉(zhuǎn)移法、外場(chǎng)輔助法(外部溫度場(chǎng)、力場(chǎng)和電場(chǎng))、粒子束照射法等。
二維材料因其豐富的材料種類及可調(diào)的電子、光電和化學(xué)性質(zhì),有望在未來(lái)電子和能源器件中發(fā)揮重要作用,近年來(lái)吸引了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。此外,基于二維材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu),包括二維/二維、二維/一維、二維/零維(統(tǒng)稱2D/xD異質(zhì)結(jié)構(gòu)),通常表現(xiàn)出獨(dú)特的物理現(xiàn)象,是基礎(chǔ)研究和構(gòu)建高性能器件的理想平臺(tái)。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),大規(guī)模可控制備高質(zhì)量二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。化學(xué)氣相沉積(CVD)是生長(zhǎng)二維材料的重要方法之一,以CVD法生長(zhǎng)二維材料在過(guò)去幾年取得了巨大的發(fā)展,目前已廣泛用于生長(zhǎng)二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
二維材料器件。1971年11月,世界上第一個(gè)基于集成電路的商用微處理器—因特爾4004—被正式推向市場(chǎng)。在隨后的五十年時(shí)間中,集成電路的性能依據(jù)摩爾定律不斷提高的同時(shí),也深刻的改變了人類社會(huì)的生產(chǎn)生活方式。然而,隨著近年來(lái)集成電路的制程進(jìn)入5 nm以下,傳統(tǒng)的硅基材料已經(jīng)越來(lái)越難以支撐集成電路性能的進(jìn)一步發(fā)展。作為一種自從2004年發(fā)展起來(lái)的新材料,二維材料將有望變革傳統(tǒng)集成電路的架構(gòu),推動(dòng)集成電路性能的進(jìn)一步提升。二維材料有著豐富的材料體系,包括導(dǎo)體(石墨烯Graphene),半導(dǎo)體(MoS2)和絕緣體(hBN)系統(tǒng),同時(shí)可以通過(guò)能帶調(diào)控設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件上的創(chuàng)新。二維材料所有這些獨(dú)特的性質(zhì)都可以用來(lái)設(shè)計(jì)新穎的電子器件。人們可以利用二維材料的可堆積特性來(lái)制造范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié),這進(jìn)一步擴(kuò)大了二維材料體系的豐富性。內(nèi)存和晶體管是實(shí)現(xiàn)存內(nèi)計(jì)算和晶體管邏輯計(jì)算的核心器件,二維材料在這兩方面均有很大的應(yīng)用潛力。二維材料的層狀結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高面積效率的邏輯門結(jié)構(gòu)和范德瓦爾斯集成應(yīng)用。
二維材料尤其是在集成電路和電子器件領(lǐng)域,近幾年來(lái)二維過(guò)渡金屬硫化物(TMDs)、硒化物,如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等,紛紛實(shí)現(xiàn)了晶圓尺寸制備,被廣泛報(bào)道和關(guān)注,應(yīng)用于晶體管及邏輯電路制備,并有望減輕短溝道效應(yīng),這使得二維材料走出實(shí)驗(yàn)室推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用又向前了一步。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展由于尺寸縮小遇到的量子效應(yīng)瓶頸而急切地呼喚下一代的電子材料。二維材料由于原子級(jí)的厚度、在低維下顯示出不同于體相材料的嶄新的性質(zhì)、與現(xiàn)有的電子工業(yè)工藝能融合的特點(diǎn),是當(dāng)今材料研究的熱點(diǎn)。
芯片的下一步發(fā)展方向?qū)⒂涩F(xiàn)在的納米級(jí)制程進(jìn)入到原子級(jí)制程,即下一代芯片將從現(xiàn)在的“納米時(shí)代”進(jìn)入到“原子時(shí)代”,具有單原子厚度的二維材料將為未來(lái)芯片“原子時(shí)代”的進(jìn)一步發(fā)展提供新的范式。以石墨烯、氮化硼、過(guò)渡金屬二硫化物、黑磷等為代表的一批具有二維材料廣泛和深入的研究,為我們掌握、操控并制造原子級(jí)厚度的器件提供了扎實(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)和成熟的方法。二維材料一個(gè)潛在的“殺手級(jí)應(yīng)用”是通過(guò)順序集成過(guò)程在同一晶圓上制造多層材料、設(shè)備或電路的單片三維集成。二維材料從實(shí)驗(yàn)室到芯片的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變才剛剛開始,并將繼續(xù)在技術(shù)的廣度和深度上不斷擴(kuò)展,從而最終為整個(gè)人類社會(huì)帶來(lái)巨大的利益。
集先進(jìn)材料生長(zhǎng)合成、加工、器件工藝制備及特殊工藝處理為一體的綜合性研發(fā)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)新材料從微米到納米甚至原子級(jí)別的材料生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)器件的可控加工與測(cè)試,提供先進(jìn)的工藝技術(shù)服務(wù)及器件解決方案。