来源：ACS Publications

背景概述

二维合金是通过混合两种或多种相似的组分相形成的，在电子、热电和催化等领域引起了广泛关注。与固定组分的二维材料相比，组分可变的合金允许其物理性质连续调制到所需状态。为此，一系列二维合金已被成功合成，用以进行沟道材料带隙调节和消除接触问题等。然而，当仔细观察已合成二维合金的电导率可以发现，以前的研究主要局限于作为接触电极和沟道材料的金属和半导体，但很少涉及绝缘栅介质。

范德华单晶二维绝缘体因可增强二维晶体管载流子迁移率和减少栅极回滞，被相继开发以制造高性能器件，包括CaF₂（ε_r = 8.4）、Bi₂SeO₅（ε_r = 15.6）、VOCl（ε_r = 11.7）、LaOCl（ε_r = 10.8）和ZrO₂（ε_r = 8~19）等。然而，目前满足形成均匀固溶体要求的已报道二维绝缘体仍然很少，因为绝缘介质合金的形成通常需要混合两个或多个具有相似理化性质和晶体结构的组分相。近期，南开大学吴金雄课题组使用化学气相沉积（CVD）在各种基底上实现了全新超高κ二维绝缘体Bi₂SiO₅的直立生长，并将其作为优异的范德华栅极介质和屏蔽层，以提高器件性能（Nat. Commun., 2023, 14, 4406）。原则上讲，将 Bi₂SiO₅ 中的Si用Ge替代，可以形成同构的 Bi₂GeO₅。相关的实验和理论表明，Bi₂GeO₅具有比Bi₂SiO₅更高的介电常数（> 40）和更小的带隙（~3.35-3.50 eV）。然而，目前关于Bi₂GeO₅的研究仅限于其粉末/块体晶体，主要用作光催化剂和高温介电陶瓷。目前还没有关于超薄 Bi₂GeO₅薄膜的CVD生长的报道。从理论上讲，Bi₂SiO₅极有可能与相似的Bi₂GeO₅合金化，进而连续调节其介电性质，如介电常数和击穿电场强度，以满足特定应用需求。

图文导读

图1. Bi₂Si_xGe_1-xO₅合金的合成

通常，要在整个范围内连续调节合金的组分，需要先实现合金前驱体的单独生长。本文中，吴金雄课题组借鉴之前合成Bi₂SiO₅的方法（BiF₃+SiO₂），以BiF₃ + GeO₂作为反应物，在类似的生长条件下成功合成出了纯相Bi₂GeO₅。与SiO₂类似，GeO₂也具有高熔点，可与氟化物反应生成挥发性产物，如沸点为-36.5 ℃ 的气态 GeF₄，从而驱动化学平衡向形成Bi₂GeO₅相的方向移动。进一步，作者通过将GeO₂和SiO₂粉末进行简单的混合（图1），首次成功的合成了超薄单晶介电合金Bi₂Si_xGe_1-xO₅。有趣的是，可以通过简单地调节两种原料（GeO₂+SiO₂）的比例，实现栅介质合金的组分由x = 0（纯 Bi₂GeO₅）到x = 1（纯Bi₂SiO₅）之间连续调节。此外，随着组分的变化，合金的介电常数可以从28.6 ± 1.5 逐渐调制到39.4 ± 1.1（目前CVD生长的二维绝缘体中最高值），击穿电场强度从 2.6 变化到 6.3 MV/cm。

图2. Bi₂Si_xGe_1-xO₅合金作为范德华封装层/介电层的电学性能

与其他二维绝缘体不同，Bi₂Si_xGe_1-xO₅合金可以在云母基底上直立生长，可通过无聚合物机械按压转移和后续的范德华堆叠与二维半导体进行洁净异质集成（图2）。此外，他们利用该合金超高的介电性质和无悬挂键的超平坦表面，将其作为类似 h-BN 的封装层，成功提高了少层 MoS₂ 的迁移率（在50 K 时提高约 300％）。随后，其将其作为高κ介电层，构筑了低功耗、无回滞二维MoS₂场效应晶体管。

文献总结

本工作首次实现了高κ单晶栅介质合金的组分和性能的连续调控，为构建高性能二维半导体器件提供了新的材料平台。相关论文发表在国际著名期刊J. Am. Chem. Soc.上。南开大学吴金雄研究员为该工作的唯一通讯作者，南开大学2021级直博生陈家彪为第一作者，南开大学为第一通讯单位。该工作的重要合作者还包括南开大学罗锋教授、南开大学付学文教授和重庆大学付会霞副教授。该工作得到了国家自然科学基金重大研究计划等项目的资助。

文章信息

期刊：ACS Publications

题目：Controllable synthesis of transferrable ultrathin Bi₂Ge(Si)O₅ dielectric alloys with composition-tunable high-κ properties

作者：Jiabiao Chen, Zhaochao Liu, Zunxian Lv, Lan Lan, Tong-Huai Cheng, Lei Zhang, Yingnan Duan, Yameng Hou, Xinyue Dong, Huixia Fu, Feng Luo, and Jinxiong Wu*

接受日期：April 14, 2024

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c02496