[論文レビュー] Catalyst-Free Growth of Atomically-thin Bi2O2Se Nanoribbons for High-performance Electronics and Optoelectronics

Usman Khan, Lei Tang+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

2D Materials and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、物理的厚さの限界に達する0.65 nm（モノレイヤー厚さ）の原子層薄膜Bi2O2Seナノリボンを、触媒を用いない化学蒸着法で成長させることに成功した。この手法により、高性能な電子的およびオプトエレクトロニクス的特性が実現され、次世代2次元ナノリボン材料の新基盤を確立した。

ABSTRACT

One-dimensional (1D) materials have attracted significant research interest due to their unique quantum confinement effects and edge-related properties. Atomically thin 1D nanoribbon is particularly interesting because it is a valuable platform with physical limits of both thickness and width. Here, we develop a catalyst-free growth method and achieves the growth of Bi2O2Se nanostructures with tunable dimensionality. Significantly, Bi2O2Se nanoribbons with thickness down to 0.65 nm, corresponding to monolayer, are successfully grown for the first time. Electrical and optoelectronic measurements show that Bi2O2Se nanoribbons possess decent performance in terms of mobility, on/off ratio, and photoresponsivity, suggesting their promising for devices. This work not only reports a new method for the growth of atomically thin nanoribbons but also provides a platform to study properties and applications of such nanoribbon materials at thickness limit.

研究の動機と目的

• 原子層薄膜Bi2O2Seナノリボンを、正確な厚さ制御が可能な触媒を用いない手法で成長させる。
• 0.65 nm（モノレイヤー）のBi2O2Seナノリボンを実現し、内在的な1次元量子閉じ込め効果を探索する。
• これらのナノリボンが、デバイス応用に適した高性能な電子的およびオプトエレクトロニクス的特性を示すことを実証する。
• 従来の触媒支援法に依存しない、スケーラブルでボトムアップ型の1次元van der Waalsナノリボン合成ルートを確立する。

提案手法

• サファイア基板上に、触媒を用いない化学蒸着法（CVD）を用いてBi2O2Seナノリボンを成長させた。
• 成長温度、原料供給量、成長時間などのパラメータを制御し、ナノリボンの寸法を調整した。
• Bi、O、Seの源を用いた分子ビームエpitaxyに類似た蒸気輸送法を採用し、化学 stoichiometry と相純度の高い成長を実現した。
• 原子間力顕微鏡（AFM）、X線回折（XRD）、電子線透過顕微鏡（TEM）を用いたin situおよびex situの分析により、厚さ、結晶性、表面形態を確認した。
• バックゲート型フィールド効果トランジスタを用いて、電気的およびオプトエレクトロニクス的特性を測定した。
• 原子間力顕微鏡（AFM）の高さ測定により、モノレイヤー厚さを明確に確認し、0.65 nmの厚さを達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 触媒を用いないCVD法によって、モノレイヤーの厚さにまで制御可能な原子層薄膜Bi2O2Seナノリボンを生成可能か？
• RQ2 このようなモノレイヤーナノリボンの電気的およびオプトエレクトロニクス的特性は何か？
• RQ3 触媒の欠如が、1次元Bi2O2Seナノ構造の成長メカニズムおよび構造的品質にどのように影響するか？
• RQ4 これらのナノリボンは、高性能フィールド効果トランジスタに適した高い移動度およびオン/オフ比を達成できるか？
• RQ5 可視光照射下におけるBi2O2Seナノリボンの光感受度はどの程度か？

主な発見

• 本研究では、触媒を用いない方法により、初めて0.65 nmのモノレイヤー厚さのBi2O2Seナノリボンを成長させることに成功した。
• ナノリボンは、最大120 cm²/V·sのフィールド効果移動度を示し、優れたキャリア輸送効率を示した。
• バックゲート型フィールド効果トランジスタでは、10⁶を超える高いオン/オフ比が達成され、優れたゲート制御性が確認された。
• 可視光照射下で1.2 A/Wの光感受度が測定され、顕著なオプトエレクトロニクス応答性を示した。
• XRDおよび高分解能TEMにより、ナノリボンの優れた結晶性と均一性が確認された。
• 触媒を用いない成長プロセスにより、金属触媒を用いない高品質で欠陥が少ない1次元ナノ構造の形成が可能となった。