[论文解读] Large-area solution-grown 2D tellurene for air-stable, high-performance field-effect transistors

Yixiu Wang, Gang Qiu+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2017

2D Materials and Applications被引用 7

一句话总结

本研究提出了一种无衬底的溶液法，用于生长大面积、高质量的二维碲烯，其厚度可调（单层至数十纳米），横向尺寸最大可达100 µm。所制备的场效应晶体管在空气中表现出超过两个月的稳定性，开关比约为10⁶，场效应迁移率约为700 cm²/Vs，在缩小尺寸并集成高k介质后，实现了高达1 A mm⁻¹的开态电流密度。

ABSTRACT

The reliable production of two-dimensional crystals is essential for the development of new technologies based on 2D materials. However, current synthesis methods suffer from a variety of drawbacks, including limitations in crystal size and stability. Here, we report the fabrication of large-area, high-quality 2D tellurium (tellurene) using a substrate-free solution process. Our approach can create crystals with a process-tunable thickness, from monolayer to tens of nanometres, and with lateral sizes of up to 100 um. The chiral-chain van der Waals structure of tellurene gives rise to strong in-plane anisotropic properties and large thickness dependent shifts in Raman vibrational modes, which is not observed in other 2D layered materials. We also fabricate tellurene field-effect transistors, which exhibit air-stable performance at room temperature for over two months, on off ratios on the order of 106 and field-effect mobilities of around 700 cm2 per Vs. Furthermore, by scaling down the channel length and integrating with high-k dielectrics, transistors with a significant on-state current density of 1 A mm-1 are demonstrated.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、无衬底的溶液法，用于生长大面积、高质量的二维碲烯晶体。
• 实现从单层到数十纳米厚度的碲烯厚度可调控制。
• 利用碲烯固有的各向异性和厚度依赖的拉曼特性进行材料表征。
• 基于溶液生长的碲烯制备空气稳定、高性能的场效应晶体管。
• 通过沟道长度缩小和高k介质集成，实现高开态电流密度。

提出的方法

• 采用无衬底的溶液法直接从溶液中生长二维碲烯晶体，实现大面积合成。
• 通过调控工艺参数控制晶体厚度，实现从单层到数十纳米的厚度可调性。
• 利用碲烯的螺旋链范德华结构诱导强烈的面内各向异性，并产生可测量的厚度依赖性拉曼位移。
• 使用溶液生长的碲烯作为半导体沟道，制备底栅型场效应晶体管。
• 集成高k介质并缩小沟道长度，以提升器件性能。
• 在环境条件下进行电学测量，以评估器件的空气稳定性和性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 无衬底的溶液法能否可靠地制备出大面积、高质量、厚度可调的二维碲烯？
• RQ2 碲烯的面内各向异性和厚度依赖的拉曼特性如何表现，并如何影响材料表征？
• RQ3 溶液生长的碲烯晶体管能否在常温空气中长期保持稳定的电学性能？
• RQ4 此类晶体管可实现的场效应迁移率和开关比是多少？
• RQ5 通过沟道长度缩小和高k介质集成，开态电流密度可提升至何种程度？

主要发现

• 无衬底溶液法成功制备出横向尺寸最大达100 µm、厚度从单层至数十纳米可调的二维碲烯晶体。
• 碲烯的螺旋链范德华结构诱导出强烈的面内各向异性，并在拉曼振动模式中表现出可观测的厚度依赖性位移。
• 基于溶液生长碲烯的场效应晶体管在室温空气中表现出超过两个月的稳定性能。
• 器件表现出约10⁶量级的开关比和约700 cm²/Vs的场效应迁移率。
• 通过缩小沟道长度并集成高k介质，成功实现了高达1 A mm⁻¹的开态电流密度。