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06-18
》官方期刊上 南京大学电子科学与工程学院 近日，电子科学学院王欣然教授、王晓木教授、施毅教授团队研究成果工程在二维材料领域取得重要进展。
相关成果分别以“Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire”和“Observation of Chiral and Slow Plasmons in Twisted Bilayer Graphene”为题，于5月4日在《自然》同时在线发表。
发现表面等离子体激元是扭曲石墨烯中等离子体激元的一种新物理状态，具有亚波长尺度的光场局域能力，在微纳光子学、集成光电器件、超分辨率成像等领域具有广阔的应用前景。
。
传统等离子体金属的光学性质与环境介质密切相关，容易受到金属欧姆损耗和环境因素的影响。
拓扑特性中的边缘态可以保护等离子体激元并抑制损失。
探索等离子体激元的新模式有望帮助解决等离子体纳米光子器件高损耗的关键问题。
王晓木教授和施毅教授研究团队提出并实现了扭曲石墨烯材料中的一种新型等离子体激元模式：手性贝利等离子体激元。
基于扭曲石墨烯的结构手性，研究团队揭示了强相关能态的拓扑性质，并预测非零贝利曲率可以在中红外频段引入反常霍尔电导。
在此基础上，团队制备了具有长程高度有序摩尔超晶格的扭角石墨烯材料，并系统研究了红外表面等离子体响应。
观察到具有手性特征的贝利等离子体边缘态，验证了电场调控实现的开关操作。
研究成果通过拓扑边缘态保护等离子体激元，有效降低损耗，在中远红外光电器件、量子计算、纳米光学等方面具有巨大的应用潜力。
图1 扭曲石墨烯示意图(a)和光学显微镜图像(b)(c)扭曲石墨烯纳米带中的红外等离子体响应。
在15微米（cm-1）的长波红外范围内，手性纳米带中出现了具有拓扑特性的新贝利等离子体模式。
图2 光强度(a)和静电掺杂(b)对手性贝利等离子体边缘模式共振能级分裂调节的影响。
在这种同时打破空间和时间反演对称性的条件下，非零贝利曲率通过纳米带中的拓扑边缘态形成手性贝利等离子体的新模式。
实验上，手性等离子体激元的特征是共振峰的分裂。
通过光强和掺杂，可以控制贝利曲率的大小，从而调制能级分裂的开关。
手性等离子体存在的另一个证据是零场法拉第效应，即光穿过材料时偏振的偏转。
实验中实现了高达 15° 的偏振旋转。
这些非磁场下奇怪的光学效应在制造偏振器等重要光学应用中具有广阔的前景。
南京大学王晓木/施毅教授团队专注于高性能红外光电器件的研究。
近年来，取得了一系列创新成果，其中以弹道雪崩光电探测器（Nature Nanotechnology，14，（））和能谷光电器件（Nature Nanotechnology，15，（））为代表。
这项研究工作是团队在广泛国际合作的支持下，通过系统的强相互作用和谷电子特性对光子进行有效控制而取得的突破。
南京大学电子科学与工程学院硕士生黄天野为第一作者。
电子科技大学李雪松教授课题组完成单晶石墨烯的生长。
明尼苏达大学Tony Low教授的研究小组完成了主要的计算工作。
中国科学院沉阳金属研究所杨阳研究员滕研究员和北京计算技术研究所邵雷副研究员研究团队协助完成了部分计算工作。
南京大学微加工中心和涂雪措高级工程师在微加工方面提供了重要支持。
该工作得到了国家科技部重点研发计划、自然科学基金重点项目、江苏省创业团队、中科院先导计划的资助。
突破双层二维半导体外延生长核心技术，集成电路摩尔定律是人类信息社会发展的动力源泉。
目前，集成电路已经发展到5纳米技术节点，晶体管尺寸的持续缩小需要寻求材料创新。
近年来，以MoS2为代表的二维半导体在电子器件和集成电路领域取得了快速发展。
王欣然教授课题组在该领域积累了长期经验，连续报道了《Nature Nanotechnology》大面积MoS2单晶的制备。
MoS2驱动的超高分辨率Micro-LED显示技术取得两项成果。
尽管学术界和工业界在单层二维半导体的生长方面取得了巨大进展，但单层材料仍然限制高性能计算应用。
与单层MoS2相比，双层MoS2具有更窄的带隙和更高的电子态密度，理论上可以增加驱动电流，更适合高性能计算。
然而，由于材料生长热力学的限制，“1=2”的逐层生长方法很难产生均匀的双层。
因此，层数可控的二维半导体外延的制备一直是一个未解决的问题。
图3 双层MoS2生长机制 针对这一问题，王欣然教授与东南大学合作寻找新途径，提出了基底诱导双层成核并“齐头并进”的新生长机制。
世界上首次报道了大面积均匀双层。
外延生长一层MoS2薄膜。
研究团队首先进行了理论计算，发现虽然单层生长在热力学上是最稳定的，但通过在蓝宝石表面构建更高的“原子阶地”可以实现边缘对齐双层成核，从而打破了“1=2”逐层生长受到传统模型的限制（图3），研究团队采用高温退火工艺在蓝宝石表面获得均匀分布的高原子台阶，成功获得了99%以上的双层生长。
原子力显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱和荧光光谱等多种表征方法证明了双层薄膜的均匀性。
认为双层MoS2与蓝宝石衬底具有特定的外延关系，并且双层MoS2层间具有2H和3R两种堆叠模式，并给出了理论解释。
图4 双层MoS2晶体管器件性能 研究团队进一步制造了双层MoS2沟道场效应晶体管（FET）器件阵列，并系统评估了其电性能（图4）。
与单层材料相比，双层MoS2晶体管的迁移率提高了37.9%，达到~.6cm2V-1S-1，并且器件均匀性大幅提高。
此外，该团队报告了一种通态电流高达1.27 mA/μm的FET，创下了二维半导体器件的新纪录，并超过了国际器件和系统路线图规划的年度目标。
该工作突破了层数可控的二维半导体外延生长技术，实现了最高性能的晶体管器件。
南京大学电子科学与工程学院博士生刘雷为第一作者，王欣然教授、李涛涛副研究员和东南大学王金兰教授、马良教授为共同通讯作者纸。
南京大学施毅教授、聂岳峰教授、王鹏教授以及微制造与集成加工中心为此项工作提供了指导和支持。
该研究得到了江苏省前沿技术基础研究、国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。
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