Hình dung trực tiếp các khiếm khuyết cấu trúc trong chất bán dẫn trên quy mô lớn không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Các kỹ thuật kính hiển vi chính bị giới hạn trong các trường quan sát có kích thước chỉ vài chục nanomet và chúng yêu cầu độ chân không cực cao, nhiệt độ cực thấp, quá trình chuẩn bị mẫu phức tạp và thiết lập phức tạp khiến chúng không thực tế đối với nhiều nhiệm vụ. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Học viện Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh đã phát triển một giải pháp thay thế đơn giản và không xâm lấn: kỹ thuật khắc ướt mà họ tuyên bố có thể cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử bằng cách giúp hiểu các tính chất cơ học, điện và quang học của chúng dễ dàng hơn.
Do Quảng Ngọc Trương của Phòng thí nghiệm Vật lý Vật chất Ngưng tụ Quốc gia Bắc Kinh và Phòng thí nghiệm vật liệu hồ Tùng Sơn ở Đông Quản, nhóm đã phát triển phương pháp này như một cách đơn giản hơn để hình dung các khiếm khuyết cấu trúc trong chất bán dẫn hai chiều (2D) điển hình, molybdenum disulphide đơn lớp (ML–MoS2). Trong công trình này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng quy trình ăn mòn ướt để mở rộng các khuyết tật cấu trúc trong chất bán dẫn từ kích thước nano đến vi mô, làm cho các khuyết tật dễ quan sát hơn dưới kính hiển vi quang học hoặc kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Quá trình ăn mòn bao gồm việc áp dụng dung dịch canxi hypochlorite 2% tính theo trọng lượng lên vật liệu trong 20 giây ở nhiệt độ phòng và vì các khuyết tật tương đối phản ứng với các phương pháp xử lý hóa học nên quy trình này chỉ ảnh hưởng đến các vị trí bị khuyết, để lại các khu vực khác của ML– MoS2 mạng nguyên vẹn.
Hố tam giác và rãnh
Sau khi làm cho các khiếm khuyết lớn hơn, các nhà nghiên cứu cho biết họ có thể quan sát các khiếm khuyết điểm 0D (chẳng hạn như các chỗ trống lưu huỳnh) và các ranh giới hạt 1D lần lượt biến thành các hố và rãnh hình tam giác trong các loại ML–MoS khác nhau2. Chúng được tẩy tế bào chết cơ học MoS2, ML–MoS phát triển CVD2, miền đơn và ML–MoS phát triển CVD2 màng có kích thước hạt nhỏ và lớn.
Số lượng hố hình tam giác đạt mức tối đa sau khoảng 200 giây. Theo Zhang và các đồng nghiệp, điều này chỉ ra rằng quá trình ăn mòn bằng các ion hypochlorite bắt đầu tại các vị trí khuyết tật vốn có và không tạo ra các khuyết tật mới, không giống như các kỹ thuật ăn mòn chọn lọc hiện có. Họ nói rằng sự gia tăng số lượng các vết rỗ theo thời gian có thể xuất phát từ khả năng phản ứng hóa học khác nhau của các khuyết tật khác nhau.
Kỹ thuật chung để trực quan hóa các khuyết tật
Mơ2 thuộc về một loại vật liệu gọi là dichalcogenide kim loại chuyển tiếp 2D (2D–TMDs) và các nhà nghiên cứu cho biết dung dịch canxi hypochlorite của họ cũng có thể được sử dụng để khắc các vật liệu khác thuộc loại này như WSe2, MoSe2và WS2. Zhang cho biết: “Điều này chỉ ra rằng phương pháp của chúng tôi là một kỹ thuật chung để hiển thị trực tiếp các khuyết tật trong 2D–TMD và có tiềm năng áp dụng cho các chất bán dẫn 2D khác.
Các tính toán nguyên tắc đầu tiên làm sáng tỏ các khiếm khuyết của chất bán dẫn
Ông cho biết thêm: “Phương pháp đơn giản và không xâm lấn của chúng tôi có thể hình dung trực tiếp các khiếm khuyết về cấu trúc trong 2D–TMD trên quy mô lớn. Bằng cách sử dụng kỹ thuật khắc này, nhóm đã điều tra các khiếm khuyết nội tại của bốn loại ML–MoS2phim và phát hiện ra rằng ML–MoS được phát triển bằng CVD2miền đơn và ML–MoS2màng có kích thước hạt lớn có mật độ khuyết tật thấp nhất. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu hiểu được mối quan hệ giữa khiếm khuyết cấu trúc và hiệu suất.
Ông nói: “Việc có thể trực quan hóa trực tiếp các khiếm khuyết cấu trúc trong chất bán dẫn 2D ở quy mô lớn theo cách này cho phép chúng tôi đánh giá chất lượng mẫu và có thể giúp hướng dẫn chúng tôi phát triển tấm wafer chất lượng cao”. Thế giới vật lý. Nó cũng cho phép xác định mối quan hệ giữa cấu trúc của vật liệu và hiệu suất của nó, từ đó phát triển các thiết bị 2D hiệu suất cao hướng tới các ứng dụng thực tế, ông nói thêm.
Chi tiết đầy đủ của nghiên cứu được công bố trong Tiếng Trung Vật Lý B.
