當(dāng)前位置：
在高磁場(chǎng)條件下，量子霍爾系統(tǒng)通常同時(shí)存在偶數(shù)和奇數(shù)量子化態(tài)。選擇性地控制這些量子化態(tài)具有挑戰(zhàn)性，但對(duì)于理解奇異基態(tài)和操縱自旋紋理至關(guān)重要。在此，北京大學(xué)彭海琳教授，南京大學(xué)袁洪濤教授和以色列威茲曼研究院顏丙海教授等人展示了Bi2O2Se薄膜中的量子霍爾效應(yīng)，在高達(dá)50 T的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)中，只觀察到偶數(shù)量子霍爾效應(yīng)，而沒(méi)有奇數(shù)態(tài)。
當(dāng)把外延Bi2O2Se薄膜的厚度減小到一個(gè)晶胞時(shí)，在這種生長(zhǎng)在SrTiO3上的Janus（非對(duì)稱）薄膜中觀察到奇數(shù)和偶數(shù)態(tài)。通過(guò)基于Bi2O2Se薄膜的Rashba雙層模型，可以將較厚薄膜中唯一的偶數(shù)態(tài)歸因于隱藏的Rashba效應(yīng)，即[Bi2O2]2+層兩個(gè)扇區(qū)的局部反轉(zhuǎn)對(duì)稱破缺產(chǎn)生了相反的Rashba自旋極化，而這兩種極化相互補(bǔ)償。在生長(zhǎng)在SrTiO3上的單胞Bi2O2Se薄膜中，頂部表面和底部界面引入的不對(duì)稱會(huì)誘發(fā)凈極性場(chǎng)，由此產(chǎn)生的全局Rashba效應(yīng)消除了較厚薄膜對(duì)稱情況下的帶退變性。相關(guān)文章以“Even-integer quantum Hall effect in an oxide caused by a hidden Rashba effect”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology上。
研究背景
量子霍爾效應(yīng)（QHE）對(duì)于探測(cè)和理解二維（2D）系統(tǒng)中的新型電子狀態(tài)具有重要意義。在大多數(shù)二維電子系統(tǒng)中，可以普遍觀察到偶數(shù)和奇數(shù)整數(shù)量子霍爾共存的現(xiàn)象。這些系統(tǒng)中相似的QHE表明具有相同的自旋紋理和提升的自旋退行性。最近，二維層狀材料的出現(xiàn)為探索獨(dú)特的自旋紋理和QHE提供了機(jī)會(huì)，因?yàn)殡娮訝顟B(tài)和自旋紋理可以通過(guò)外部電場(chǎng)調(diào)制和原子水平的反轉(zhuǎn)對(duì)稱工程來(lái)調(diào)整。然而，在之前報(bào)道的二維層狀材料中的量子霍爾效應(yīng)中，高磁場(chǎng)中的量子化主要受塞曼效應(yīng)的影響，由于其中原子重量輕，自旋軌道耦合（SOC）相對(duì)較小。相比之下，對(duì)于具有較強(qiáng)自旋軌道耦合和Rashba效應(yīng)的量子霍爾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)新的自旋軌道耦合是可行的。
圖文導(dǎo)讀
層狀Bi2O2Se中的晶體結(jié)構(gòu)和隱藏的Rashba效應(yīng)
作者選擇二維Bi2O2Se作為目標(biāo)材料，首先，導(dǎo)帶最小值附近的電子態(tài)主要來(lái)源于具有強(qiáng)SOC的重Bi p軌道帶。其次，與范德華材料不同，Bi2O2Se屬于I4/mmm空間群，顯示出反轉(zhuǎn)對(duì)稱的層狀晶格結(jié)構(gòu)，因此每個(gè)[Bi2O2]2+層形成了一個(gè)Rashba雙層（圖1b）。第三，隱藏的Rashba效應(yīng)可以通過(guò)厚度控制來(lái)調(diào)節(jié)，通過(guò)分子束外延（MBE）技術(shù)可以可控地生長(zhǎng)出不同厚度的高遷移率Bi2O2Se薄膜，厚度甚至可以低至1 μc。
圖1：Bi2O2Se薄膜中的Rashba雙層結(jié)構(gòu)。
如圖2a-c所示，不同厚度薄膜中的界面Bi2O2Se層是反轉(zhuǎn)不對(duì)稱的，由于巨大的介電常數(shù)差和界面上沒(méi)有底層Se，形成了Janus結(jié)構(gòu)。在薄膜中，電子波函數(shù)主要分布在中間區(qū)域，因此與超薄薄膜相比，厚薄膜中導(dǎo)帶受界面場(chǎng)的影響要小得多。因此，厚薄膜的全局Rashba效應(yīng)可以忽略不計(jì)，并帶有隱藏的自旋紋理。隨著薄膜厚度的減小，波函數(shù)到達(dá)界面并開(kāi)始感受界面電場(chǎng)。
因此，超薄薄膜（例如1 μ厚）可能會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的全局Rashba效應(yīng)。因此，不同厚度的薄膜將具有不同的Rashba效應(yīng)，厚度可調(diào)的高遷移率二維Bi2O2Se外延薄膜可以選擇性地控制Rashba效應(yīng)、自旋紋理和量子霍爾態(tài)。為了進(jìn)一步證明外延Bi2O2Se薄膜具有優(yōu)異的遷移率特性，作者進(jìn)行了低溫霍爾效應(yīng)測(cè)量（圖2d），并在此基礎(chǔ)上獲得了霍爾遷移率。這里有三個(gè)重要的觀察結(jié)果。
首先，外延Bi2O2Se薄膜在最低溫度下的霍爾遷移率達(dá)到了12435 cm2 V-1 s-1的最大值，從而能夠觀察到其中的舒勃尼科夫-德哈斯效應(yīng)（SdH）振蕩和量子化態(tài)。其次，霍爾遷移率隨厚度增加而增加。超薄Bi2O2Se薄膜中載流子遷移率的降低可能是由于界面和頂面的散射造成的。第三，由于外延Bi2O2Se薄膜的有效質(zhì)量小、在環(huán)境條件下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高質(zhì)量的晶序，因此非封裝Bi2O2Se薄膜中的遷移率高于其他已報(bào)道的非封裝二維半導(dǎo)體。
圖2：鈦酸鍶襯底商外延Bi2O2Se薄膜的STEM圖像和電學(xué)表征。
二維Bi2O2Se中厚度相關(guān)的SdH振蕩和QHE
為了證實(shí)外延薄膜的二維性質(zhì)，作者進(jìn)行了隨角度變化的磁阻測(cè)量。當(dāng)施加高達(dá)14 T的靜態(tài)磁場(chǎng)時(shí)，在6-uc厚的外延Bi2O2Se薄膜的縱向磁阻中觀察到明顯的SdH振蕩。當(dāng)磁場(chǎng)與樣品平面法線方向的夾角（θ）傾斜時(shí)，作為磁場(chǎng)垂直分量函數(shù)的SdH振蕩極值位置幾乎不移動(dòng)，這表明6-uc厚的Bi2O2Se具有單一頻率的二維特征。
同時(shí)，從快速傅立葉變換（FFT）分析中提取的隨角度變化的振蕩頻率可以很好地與二維模型擬合，這也揭示了 Bi2O2Se薄膜中嚴(yán)格的二維費(fèi)米面。
圖3：外延Bi2O2Se薄膜中的偶數(shù)QHE。
圖4：Bi2O2Se納米片中的偶數(shù)QHE。
圖5：外延Bi2O2Se薄膜中與厚度相關(guān)的QHE和量子振蕩。
圖6：計(jì)算的Bi2O2Se薄膜的有效g因子和能帶結(jié)構(gòu)。
結(jié)論展望
綜上所述，作者證明了在獨(dú)特的自旋退化拉什巴雙層結(jié)構(gòu)（即隱藏的Rashba效應(yīng)）驅(qū)動(dòng)下的Bi2O2Se量子霍爾系統(tǒng)中，當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到50 T時(shí)，唯一的偶數(shù)整數(shù)態(tài)，其中兩個(gè)扇區(qū)形成具有相反Rashba自旋極化的反轉(zhuǎn)，并相互補(bǔ)償。
同時(shí)，在Bi2O2Se薄膜中，由于基底/薄膜界面引起的對(duì)稱性破壞，隱藏的Rashba效應(yīng)可能與全局拉什巴效應(yīng)共存。當(dāng)具有非對(duì)稱Janus結(jié)構(gòu)的外延薄膜厚度減小到1個(gè)單元格時(shí)，奇數(shù)和偶數(shù)整數(shù)量子霍爾都會(huì)出現(xiàn)，此時(shí)界面誘導(dǎo)的反轉(zhuǎn)對(duì)稱破缺會(huì)產(chǎn)生巨大的全局Rashba效應(yīng)。此外，這種二維Janus結(jié)構(gòu)中的全局拉什巴參數(shù)達(dá)到了440 meV ?，這是已知二維半導(dǎo)體Rashba系統(tǒng)中最大的參數(shù)值之一。
因此，通過(guò)調(diào)節(jié)高遷移率二維Bi2O2Se薄膜的厚度，可以有效地定制兩個(gè)Rashba層的補(bǔ)償狀態(tài)和QHE，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)新型電子態(tài)、能帶拓?fù)浜妥孕y理的控制。
文獻(xiàn)信息
Jingyue Wang, Junwei Huang, Daniel Kaplan, Xuehan Zhou, Congwei Tan, Jing Zhang, Gangjian Jin, Xuzhong Cong, Yongchao Zhu, Xiaoyin Gao, Yan Liang, Huakun Zuo, Zengwei Zhu, Ruixue Zhu, Ady Stern, Hongtao Liu, Peng Gao, Binghai Yan, Hongtao Yuan, Hailin Peng, Even-integer quantum Hall effect in an oxide caused by a hidden Rashba effect, Nature Nanotechnology, doi.org/10.1038/s41565-024-01732-z2
最新JACS：高κ介質(zhì)與二維半導(dǎo)體的外延集成
高介電常數(shù)（高κ）介電材料的合成及其與溝道材料的集成一直是最先進(jìn)的晶體管架構(gòu)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁?qiáng)大的柵極控制和低工作電壓。對(duì)于下一代電子產(chǎn)品，正在探索具有無(wú)懸掛鍵表面和原子厚度的高遷移率二維（2D）層狀半導(dǎo)體作為溝道材料，以實(shí)現(xiàn)更短的溝道長(zhǎng)度和更少的界面散射。目前，高κ電介質(zhì)與高遷移率2D半導(dǎo)體的集成主要依賴于原子層沉積或轉(zhuǎn)移堆疊，這可能會(huì)導(dǎo)致一些不良問(wèn)題，例如溝道損傷和界面陷阱。
在此，北京大學(xué)彭海琳教授和南京大學(xué)聶越峰教授等人展示了通過(guò)直接外延生長(zhǎng)將高遷移率2D半導(dǎo)體Bi2O2Se與可轉(zhuǎn)移高κ SrTiO3集成為2D場(chǎng)效應(yīng)晶體管，每個(gè)外延層（包括外延Bi2O2Se、外延STO和Sr3Al2O6（SAO）犧牲層）均是通過(guò)分子束外延（MBE）生長(zhǎng)。其中，可轉(zhuǎn)移的STO介電層通過(guò)在水溶性SAO犧牲層和商業(yè)化STO 基底上外延生長(zhǎng)。所有外延層都具有相似的面內(nèi)晶格常數(shù)和原子排列，從而確保了良好的外延關(guān)系。
結(jié)果證實(shí)，二維異質(zhì)結(jié)內(nèi)的界面清晰干凈，與之前采用Bi2O2Se的氧化物Bi2SeO5作為柵電介質(zhì)的研究相比，這種外延集成方法可以輕松地將可轉(zhuǎn)移的外延Bi2O2Se/STO與任意基底集成，從而實(shí)現(xiàn)多功能電子器件。此外，用水蝕刻SAO犧牲層后，二維Bi2O2Se/SrTiO3 異質(zhì)結(jié)就可以一起輕松剝離，并借助聚合物薄膜介質(zhì)轉(zhuǎn)移到任意基底上。
值得注意的是，這種2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以從水溶性Sr3Al2O6犧牲層高效轉(zhuǎn)移到任意基底上。制備的2D Bi2O2Se/SrTiO3晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷比超過(guò)104，亞閾值擺幅低至90 mV/dec。本文的研究為高κ電介質(zhì)與高流動(dòng)性2D半導(dǎo)體的整合開(kāi)辟了一條新途徑，并為探索多功能電子器件鋪平了道路。
相關(guān)文章以“Epitaxial Integration of Transferable High?κ Dielectric and 2D Semiconductor”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上。
研究背景
對(duì)于10納米以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），高介電常數(shù)（κ）和與溝道的無(wú)損集成是柵極電介質(zhì)保持柵極可控性的關(guān)鍵。同樣，人們也熱切期待開(kāi)發(fā)出適用于未來(lái)節(jié)點(diǎn)二維（2D）MOSFET的可靠高κ材料。
如今，作為硅工業(yè)中廣泛使用的高κ電介質(zhì)，HfO2和Al2O3也已成功應(yīng)用于二維MOSFET。然而，沉積電介質(zhì)的無(wú)定形性質(zhì)和界面上的懸空鍵阻礙了此類晶體管的高性能。為了避免懸空鍵的界面散射，人們引入了界面緩沖層，如Sb2O3和有機(jī)分子。同時(shí)，緩沖層的存在降低了整體柵極電容，從而削弱了靜電控制。
十多年來(lái)，轉(zhuǎn)移電介質(zhì)也一直被用于將電介質(zhì)與二維材料集成在一起。高κ氧化物納米帶或納米線已證明對(duì)石墨烯溝道具有良好的調(diào)制作用，而柵極區(qū)和源漏區(qū)之間的間隔仍然是柵極電介質(zhì)靜電調(diào)節(jié)的障礙。通過(guò)直接轉(zhuǎn)移堆疊或在石墨烯或聚乙烯醇的輔助下，各種電介質(zhì)被用作二維半導(dǎo)體的柵電介質(zhì)，從而產(chǎn)生了性能良好的晶體管。盡管這些方法取得了成功，但由于轉(zhuǎn)移或表面反應(yīng)過(guò)程可能會(huì)留下殘留物或氣隙，因此仍然難以形成清潔的界面。
圖文導(dǎo)讀
本文選擇Bi2O2Se/SrTiO3作為研究目標(biāo)，不僅是因?yàn)槎S層狀Bi2O2Se具有高載流子遷移率和出色的環(huán)境穩(wěn)定性，還因?yàn)镾TO基底具有高靜態(tài)介電常數(shù)，而且當(dāng)厚度降至納米級(jí)時(shí)仍能保持在20以上，這使其有可能成為某些2D材料靜電調(diào)制的良好柵介質(zhì)。同時(shí)，STO 和Bi2O2Se之間的面內(nèi)失配僅為0.5%，表明界面應(yīng)變可以忽略不計(jì)。因此，作者利用MBE技術(shù)制備了二維Bi2O2Se/SrTiO3/Sr3Al2O6/SrTiO3（Bi2O2Se/STO/SAO/STO）中的每個(gè)外延層。
首先在單晶SrTiO3 (001)基底上外延生長(zhǎng)SAO 犧牲層。由于SAO內(nèi)部具有獨(dú)特的Al6O1818-環(huán)結(jié)構(gòu)，因此可以快速水解?？紤]到表面的原子排列和化學(xué)反應(yīng)決定了薄膜的外延質(zhì)量，因此有必要重建STO表面的原子排列，以獲得單端表面。圖1c顯示了退火后SrTiO3基底表面的原子力顯微鏡（AFM）圖像。
退火后的 SrTiO3表面呈現(xiàn)出寬約100 nm、高約0.39 nm的平行臺(tái)階，邊緣清晰銳利?；字苽渫瓿珊螅肕BE在階梯狀SrTiO3/Sr3Al2O6/SrTiO3基底上直接生長(zhǎng)出高質(zhì)量的二維Bi2O2Se膜，從而將高κ STO膜與二維半導(dǎo)體集成在一起。
圖1：與高κ SrTiO3膜集成的外延2D Bi2O2Se的制備和表征
為了進(jìn)一步研究外延層的元素組成和原子排列，作者對(duì)二維 Bi2O2Se/SrTiO3/Sr3Al2O6/SrTiO3進(jìn)行了系統(tǒng)的透射電子顯微鏡（TEM）表征（圖 2a）。高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）STEM 圖像清晰地顯示了各層的原子排列，外延層原子均勻，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷。
由于可忽略的晶格失配和逐層生長(zhǎng)模式，各層與下層之間具有嚴(yán)格的外延關(guān)系。與此同時(shí)，每個(gè)界面上的原子排列整齊，沒(méi)有空位，與顯示的晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。0.39 nm的間距與單胞STO的晶格常數(shù)一致。Bi2O2Se結(jié)構(gòu)中的Bi-O層和Se層交替排列，相鄰Bi-O層之間的間距為0.61 nm，與單層Bi2O2Se的厚度一致，整個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)保持無(wú)應(yīng)變，確保了外延薄膜的高質(zhì)量。
圖2：可轉(zhuǎn)移的二維Bi2O2Se/SrTiO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)表征和界面分析。
為了評(píng)估薄膜的介電常數(shù)，作者在Pd/Au/Pd底柵極上轉(zhuǎn)移了薄膜，從而制造出了金屬-絕緣體-金屬（MIM）器件。進(jìn)一步研究表明，隨著厚度的減小，介電常數(shù)變得更小。
為了評(píng)估Bi2O2Se/SrTiO3膜的電氣性能，作者制作了標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），Bi2O2Se溝道和STO底柵電介質(zhì)的厚度分別為15納米和20納米，低偏壓下的源極-漏極電流與源極-漏極電壓呈典型的線性關(guān)系，表明存在良好的歐姆接觸和可忽略的肖特基勢(shì)壘。此外，不同漏極電壓條件下的轉(zhuǎn)移曲線顯示漏極電流在亞閾值區(qū)急劇上升，導(dǎo)通/關(guān)斷比高達(dá)104。
圖3：可轉(zhuǎn)移二維Bi2O2Se/SrTiO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。
結(jié)論展望
綜上所述，本文將高遷移率二維半導(dǎo)體與高κ可轉(zhuǎn)移電介質(zhì)進(jìn)行了外延集成。其中，二維Bi2O2Se/SrTiO3膜可以轉(zhuǎn)移到任意基底上，其異質(zhì)結(jié)具有良好的外延結(jié)構(gòu)和較高的結(jié)晶質(zhì)量。所制造的Bi2O2Se/SrTiO3晶體管的導(dǎo)通/截止值超過(guò)104，最小SS值為90 mV dec-1，漏電流密度低于10-3 A cm-2。
同時(shí)，在柔性PET襯底上進(jìn)行的測(cè)量表明，這種晶體管具有應(yīng)用于柔性電子器件的潛力。本文的工作為高遷移率二維材料和高κ介質(zhì)的外延集成提供了一條可能的途徑，可用于推動(dòng)器件的進(jìn)一步擴(kuò)展，并創(chuàng)建先進(jìn)的晶體管結(jié)構(gòu)形式。
文獻(xiàn)信息
Xuzhong Cong, Xiaoyin Gao, Haoying Sun, Xuehan Zhou, Yongchao Zhu, Xin Gao, Congwei Tan, Jingyue Wang, Leyan Nian, Yuefeng Nie,* and Hailin Peng*, Epitaxial Integration of Transferable High?κ Dielectric and 2D Semiconductor, J. Am. Chem. Soc.