Сапфир заставил двумерный WS₂ вырасти единым кристаллом на 2 дюйма
У двумерного полупроводника есть неприятная привычка: на подложке он сначала появляется отдельными кристаллическими островками. Каждый выбирает свою ориентацию, затем островки сталкиваются. Получившаяся плёнка может выглядеть сплошной, однако ток в ней встречает сетку границ зёрен. Для единичного лабораторного транзистора можно взять удачный фрагмент. Для пластины с массивом устройств этот приём уже не работает.
Авторы статьи в Nature Communications предложили управлять ростом ещё до появления WS₂. Они взяли коммерческий сапфир C/M-plane и сформировали на его поверхности искусственно анизотропный слой из элементов самой системы: W и Al для дисульфида вольфрама, Mo и Al для дисульфида молибдена. Эта подготовка нарушает симметрию поверхности в нужном направлении. При CVD-росте зародыши двумерного кристалла получают общий кристаллографический ориентир и могут срастаться без обычной мозаики случайно повёрнутых доменов.
Получены 2-дюймовые монослойные пластины WS₂ и MoS₂, которые авторы характеризуют как single-crystalline wafer-scale material. Самое важное в демонстрации — материал не остался красивой Raman-картой. Из WS₂ изготовили массив полевых транзисторов; заявлены отношение токов включения и выключения выше 10⁸ и полевая подвижность около 48.2 см²/(В·с).
Эта подвижность сама по себе не переворачивает таблицы рекордов WS₂. Смысл результата в другом: сравнительно умеренные транспортные параметры получены у устройств, сделанных из монослойного материала на двухдюймовой подложке. Именно здесь обычно ломается путь от эффектного exfoliated-flake FET к технологическому процессу. Материал должен занимать всю рабочую площадь, иметь одинаковую ориентацию по ней и не нести в активном слое посторонний каталитический элемент.
Фраза «на обычном сапфире» требует аккуратности. Подложка действительно коммерческая, но перед ростом её поверхность целенаправленно модифицируют W/Al или Mo/Al. Вся ставка работы сделана на этой операции: сапфир превращают в шаблон, который сообщает растущему монослою, куда разворачиваться. Также single-crystal здесь следует понимать в контексте авторских структурных измерений одноориентированного эпитаксиального монослоя. Это ещё не независимое доказательство полного отсутствия дефектов по всей площади пластины.
Но сама инженерная идея сильна именно своей экономностью. Вместо экзотической подложки или чужеродного катализатора авторы меняют симметрию доступной поверхности элементами, уже принадлежащими к системе. Если такой контроль ориентации окажется воспроизводимым на следующих размерах и технологических маршрутах, 2D-полупроводник перестанет быть материалом, который удобно изучать только на случайно удачном микронном островке.