在日本科學技術振興機構（JST）的戰略性創造研究推進項目，東北大學研究生院工學研究科電子工學專業的加藤俊顯副教授與金子俊郎教授等人，成功查明瞭具備原子級厚度的半導體原子片——過渡金屬二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides：TMD）的新合成機制。
在特殊環境下生長的TMD很難直接觀測到生長過程，因此一直不清楚生長的初期過程是什麼樣子，要想合成高品質的TMD，需要查清詳細的合成機制。
此次，研究小組開發出了原位觀察合成法，可以在存在腐蝕性氣體的約800℃高溫特殊空氣下，將TMD的生長情況變成光學圖像即時進行觀測。另外發現，通過提前在合成基底層上形成控制晶體成長時的前驅體擴散的機制，生長前驅體與以往的半導體材料相比能擴散約100倍以上的距離。此外確認，液滴狀態的前驅體會生成晶核。研究小組利用該方法，成功在實用規模的基底層上，大規模合成了3萬5千多個單層單晶原子片（圖1）。
圖1
研究小組為查清這些晶體的初期生長過程，首先開發了控制晶體開始生長的成核位點的方法。提前在基底層上配置奈米級金（Au）點，合成了TMD之一的二硫化鎢（WS2）。最終，通過Au點選擇性地生長出單層單晶WS2（圖2）。
圖2
接下來，利用該方法調查了合成機制。首先，為測量前驅體在基底層上擴散的距離，提前在基底層上的Au點周圍形成了防止擴散的結構，並詳細解析了防擴散結構與晶體尺寸之間的關係（圖3）。分析發現，用於WS2晶體成長的生長前驅體在基底層上擴散750多微米（μm）後，被作為晶核的Au點擷取，並開始生長。這個擴散距離與普通半導體材料硅和化合物半導體相比，約為其100倍以上。在以往的半導體中，原子和分子水平的前驅體擴散機制為普通模型，而此次明確的100倍以上的擴散長度用以往的模型無法解釋，這意味著存在新的生長機制。
圖3
之後，研究小組自主開發了可以原位觀察生長狀態的合成裝置，對WS2的晶體成長情況進行原位觀察，明確了一系列的生長過程，觀察發現，被Au點擷取的前驅體會暫時形成圓形的儲液囊狀態，儲存的液體增加到一定尺寸以上後，便開始生長三角形的單晶原子片結構（圖4）。本研究是首次獲得TMD生長狀態的原位觀察結果。
圖4
從這種特殊的生長過程和上述長距離前驅體擴散來看，應該是前驅體自身形成了奈米尺寸的液體狀態，並作為液滴在基底層上擴散，由此實現了與以往的半導體觀察到的原子和分子狀擴散相比距離明顯更長的擴散。
研究小組以基於液滴前驅體的一系列晶體成長機制為基礎最適化了合成條件，最終成功在釐米級的實用尺寸基底層上，均勻地高度合成了3萬5千多個單層單晶TMD（圖5）。
圖5
利用此次的研究成果，有望大規模合成具備原子級終極厚度的半導體原子片，在新一代柔性電子領域的實用化備受期待。
相關研究成果已於2019年9月10日在英國科學期刊《科學報告》（Scientific Reports）的網路版上公開。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
