下一代二维半导体材料并不喜欢照镜子时看到的东西。目前用于原子薄电子器件的半导体材料单层纳米片的合成方法，当材料沉积在像蓝宝石这样的单晶衬底上时，会产生一种特殊的“镜像孪生”缺陷。合成的纳米片包含的晶界就像一面镜子，每一面的原子排列都是相互对立的。
宾夕法尼亚州立大学二维晶体联盟-材料创新平台(2DCC-MIP)的研究人员及其合作者表示，这是一个问题。电子到达边界时会散射，从而降低晶体管等设备的性能。研究人员表示，这是物联网和人工智能等应用的下一代电子产品发展的瓶颈。但现在，研究小组可能已经提出了纠正这一缺陷的解决方案。他们的研究成果发表在《自然纳米技术》杂志上。
这项研究可能会对半导体研究产生重大影响，使其他研究人员能够减少镜像双胞胎缺陷，根据主要作者Joan Redwing, 2dc - mip主任，特别是在该领域受到越来越多的关注和去年通过的芯片和科学法案的资助下。该法案的授权增加了资金和其他资源，以促进美国在国内生产和开发半导体技术的努力。
根据Redwing的说法，单层的二硒化钨片——只有三个原子厚——可以制成一种高效的、原子级薄的半导体来控制和操纵电流。为了制造纳米片，研究人员使用了金属有机化学气相沉积(MOCVD)，这是一种半导体制造技术，用于在衬底上沉积超薄单晶层，在这种情况下是蓝宝石晶圆。
Redwing表示，虽然MOCVD用于合成其他材料，但2DCC-MIP的研究人员率先将其用于合成二维半导体，如二硒化钨。二硒化钨属于一种被称为过渡金属二硫族化合物的材料，它有三个原子厚，钨金属夹在非金属硒化原子之间，为先进的电子产品显示出理想的半导体特性。
Redwing也是宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程和电气工程的杰出教授，他说:“为了实现具有高度晶体完美度的单层片，我们使用蓝宝石晶圆作为模板，在晶圆表面通过MOCVD沉积钨二硒化晶体时，将其对齐。”“然而，二硒化钨晶体可以在蓝宝石衬底上以相反的方向排列。当相反取向的晶体尺寸变大时，它们最终会在蓝宝石表面相遇，形成镜像孪晶界。”
为了解决这个问题，并使大多数二硒化钨晶体与蓝宝石晶体对齐，研究人员利用了蓝宝石表面的“台阶”。构成晶圆片的蓝宝石单晶在物理上是非常完美的;然而，在原子水平上，它并不是完全平坦的。表面上有一两个原子高的台阶，台阶之间有平坦的区域。
Redwing说，在这里，研究人员发现了镜像缺陷的可疑来源。
蓝宝石晶体表面的台阶是二硒化钨晶体倾向于附着的地方，但并非总是如此。当附在台阶上时，晶体排列倾向于在一个方向上。
“如果晶体都能在同一方向上排列，那么层中的镜像孪生缺陷将会减少甚至消除，”Redwing说。
研究人员发现，通过控制MOCVD工艺条件，大多数晶体可以在步骤中附着在蓝宝石上。在实验过程中，他们有了一个额外的发现:如果晶体附着在台阶的顶部，它们会在一个晶体学方向上排列;如果它们附着在底部，它们就会以相反的方向排列。
Redwing说:“我们发现，大部分晶体都有可能附着在台阶的顶部或底部边缘。”Redwing表示，这归功于博士后学者hayuyue Zhu和助理研究教授Tanushree Choudhury在2DCC-MIP的实验工作。“这将提供一种显著减少层中镜像孪晶边界数量的方法。”
Nadire Nayir是一名博士后学者，在著名大学教授Adri van Duin的指导下，带领2DCC-MIP理论/模拟设施的研究人员开发了蓝宝石表面原子结构的理论模型，以解释为什么二硒化钨附着在台阶的顶部或底部边缘。他们的理论是，如果蓝宝石表面覆盖着硒原子，那么它们就会附着在台阶的底部边缘;如果蓝宝石只被部分覆盖，使底部边缘缺少硒原子，则晶体附着在顶部。
为了证实这一理论，宾夕法尼亚州立大学2DCC-MIP的研究人员与西密歇根大学电子和计算机工程教授史蒂文·德宾研究小组的研究生克里斯托·约克(Krystal York)合作。作为2DCC-MIP常驻学者访问计划的一部分，她为这项研究做出了贡献。约克博士在使用2DCC-MIP设备进行博士论文研究时，学习了如何通过MOCVD生长二硒化钨薄膜。她的实验证实了这种方法的有效性。
“在进行这些实验时，Krystal观察到，当她改变MOCVD反应器中的压力时，蓝宝石上钨二硒化结构域的方向发生了改变，”Redwing说。“这一实验观察为解释二硒化钨晶体在蓝宝石晶圆上的附着位置的理论模型提供了验证。”
使用这种新型MOCVD工艺生产的蓝宝石上的晶圆级二硒化钨样品可通过2DCC-MIP用户计划提供给宾夕法尼亚州立大学以外的研究人员。
Redwing表示:“人工智能和物联网等应用将需要进一步提高性能，以及降低电子产品能耗的方法。”“以二硒化钨为基础的高质量二维半导体和相关材料是下一代电子产品的重要材料。”
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