[论文解读] Lateral heterojunctions within monolayer semiconductors

Chun-Ming Huang, Sanfeng Wu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2014

2D Materials and Applications参考文献 32被引用 3

一句话总结

该论文通过物理气相传输法，实现了单层MoSe2与WSe2之间无缝、高质量的侧向异质结的外延生长。所得的面内异质结展现出未扭曲的蜂窝晶格结构，界面处具有原子尺度的混合，且表现出增强的光致发光性能，为二维材料的能带工程提供了可能，适用于原子级厚度的晶体管和二极管。

ABSTRACT

Heterojunctions between three-dimensional (3D) semiconductors with different bandgaps are the basis of modern light-emitting diodes, diode lasers, and high-speed transistors. Creating analogous heterojunctions between different two-dimensional (2D) semiconductors would enable band engineering within the 2D plane and open up new realms in materials science, device physics and engineering. Here we demonstrate that seamless high-quality in-plane heterojunctions can be grown between the 2D monolayer semiconductors MoSe2 and WSe2. The junctions, grown by lateral hetero-epitaxy using physical vapor transport, are visible in an optical microscope and show enhanced photoluminescence. Atomically resolved transmission electron microscopy reveals that their structure is an undistorted honeycomb lattice in which substitution of one transition metal by another occurs across the interface. The growth of such lateral junctions will allow new device functionalities, such as in-plane transistors and diodes, to be integrated within a single atomically thin layer.

研究动机与目标

• 开发一种在不同单层半导体之间形成无缝侧向异质结的方法。
• 在单个二维平面内实现能带工程，以用于新型电子和光电器件。
• 实现对两种不同二维半导体（MoSe2与WSe2）界面的原子尺度控制。
• 证明面内异质结具有高结构与电子质量，适用于未来二维器件集成。

提出的方法

• 采用侧向异质外延结合物理气相传输法，生长单层MoSe2与WSe2异质结构。
• 生长过程实现了在相同基底上，两种不同二维半导体的受控侧向扩展。
• 光学显微镜确认了MoSe2与WSe2界面处存在可见的异质结。
• 采用原子分辨率透射电子显微镜（TEM）观察界面，确认无晶格畸变。
• 通过光致发光测量评估异质结的电子质量及界面特性。
• 对界面结构进行分析，确认在异质结界面处，一种过渡金属（Mo）被另一种（W）所取代。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不同单层过渡金属二硫属化物之间形成无缝侧向异质结？
• RQ2 MoSe2与WSe2在侧向异质结构中的界面处，其原子尺度结构与电子质量如何？
• RQ3 此类异质结是否能表现出增强的光电性能，如光致发光增强？
• RQ4 是否可通过侧向异质外延在单个二维平面内实现精确的能带工程？

主要发现

• 通过物理气相传输法，成功在单层MoSe2与WSe2之间生长出侧向异质结，在光学显微镜下可观察到明显的界面。
• 原子分辨率透射电子显微镜确认，MoSe2/WSe2界面处的蜂窝晶格结构未发生畸变，无晶格应变或缺陷。
• 界面处呈现连续的过渡，其中W原子取代了Mo原子，表明形成了无缝异质结构。
• 在异质结处观察到增强的光致发光，表明电子质量提高，具有潜在的光电应用前景。
• 高质量、原子级精确的界面使得在平面内设计二维电子与光电器件（如晶体管和二极管）成为可能。