💡这项突破是什么?
近日，南京大学袁洪涛教授课题组与北京航空航天大学汤沛哲教授课题组、日本东京大学Toshiya Ideue教授课题组合作，在电介质/半导体异质界面的对称性工程调控方面取得重要进展。他们利用一种新型各向异性范德华层状电介质SiP2，通过其独特的C2旋转对称性，实现了对半导体材料电子态的对称性调控，在二维过渡金属硫族化合物（TMDC）材料中诱导出巨大的各向异性光学和电学响应。相关研究成果以“An Anisotropic van der Waals Dielectric for Symmetry Engineering in Functionalized Heterointerfaces”为题发表在Nature Communications期刊上。
在传统的半导体器件中，栅极电介质材料通常只通过外加电场来调控沟道半导体的电子态，而电介质材料的晶格对称性这一自由度往往被忽略。然而，当电介质材料具有较低的晶格对称性时，电介质/半导体异质界面会形成独特的界面莫尔势，从而可能诱导出半导体材料中原本不具备的新奇物理性质。在本工作中，作者们首次将具有C2旋转对称性的层状SiP2作为一种新型栅极电介质材料引入到TMDC半导体器件中，利用SiP2与TMDC材料之间的晶格对称性差异，在异质界面处实现了对称性破缺，从而在原本具有C3旋转对称性的TMDC材料中诱导出巨大的各向异性光学和电学响应。
作者们首先研究了基于SiP2介电材料的MoS2双栅晶体管器件性能。如图1所示，基于SiP2介电材料的MoS2双栅晶体管表现出优异的器件性能：室温下迁移率高达~150 cm2/V·s，开关比高达108。同时，利用SiP2作为电介质能够在1L-MoS2/SiP2晶体管中实现栅压调控的绝缘体-金属相变。这一系列结果展现了具有大介电常数的层状SiP2作为栅介质材料调制超薄半导体中电子态的优异介电特性。
图1. 基于C2旋转对称性的SiP2介电材料的高性能MoS2双栅晶体管。（a）MoS2/SiP2异质结构的示意图。（b）基于SiP2介电材料的MoS2双栅器件示意图。（c）基于5-nm-MoS2的双栅晶体管在2 K时通过扫描顶栅电压（红色曲线）和底栅电压（蓝色曲线）时的转移特性曲线。（d）2 K下5-nm-MoS2/SiP2器件的漏电流与外加栅压的关系。（e）5-nm-MoS2/SiP2器件中双栅调控的场效应迁移率。（f）不同SiP2栅压条件下单层MoS2的电阻温度关系。（g）不同电介质的有效质量各向异性比的比较。各向异性比定义为电子有效质量沿相应晶格y和x方向的比值。
为了验证SiP2/MoS2异质界面的对称性破缺现象，作者们测量了1L-MoS2/SiP2异质结构偏振依赖的二次谐波产生信号（SHG）。如图2所示，与1L-MoS2中经典的六重对称SHG“花瓣图案”不同，在1L-MoS2/SiP2异质结构中，SHG信号在六个对称花瓣上呈现出额外的二重分量，这说明1L-MoS2样品中原来的C3旋转对称性被底部具有C2对称性的SiP2电介质所破缺。为了进一步研究对称性破缺对界面光学特性的影响，作者们测试了1L-MoS2/SiP2异质结构偏振依赖的荧光光谱。对于1L-MoS2，能量为1.91 eV的激子发光强度随检偏角度的变化而保持不变，而对于1L-MoS2/SiP2异质结构，能量为1.91 eV的激子发光强度会沿着x方向产生高度的线性极化。更有趣的是，作者们发现各向异性的PL和SHG响应在很大程度上取决于MoS2和SiP2之间的扭转角：当莫尔超晶格的镜像对称性随着扭转角的变化而消失时，相应的各向异性会显著降低。这一结果表明，1L-MoS2/SiP2界面莫尔超晶格的镜像对称性在控制异界面各向异性光学响应的大小方面起着重要作用。此外，作者们在1L-WS2/SiP2异质结构中也观察到了类似的各向异性光学响应，这表明这种对称破缺诱导的界面各向异性行为普遍适用于其它的TMDC材料。
图2. 1L-MoS2/SiP2界面的各向异性光学响应。（a，b）1L-MoS2/SiP2异质结构的光学照片（a）和俯视示意图（b），其中MoS2的扶手椅方向与SiP2的x方向平行。比例尺为20 μm。（c）平行配置（起偏器和检偏器极化方向平行）下1L-MoS2（蓝色）和1L-MoS2/SiP2（红色）的偏振依赖的二次谐波产生（SHG）强度。（d）77 K时SiP2、1L-MoS2和1L-MoS2/SiP2异质结构的荧光（PL）光谱。（e）对应的PL强度随光子能量和偏振方向变化的二维彩图。（f）1L-MoS2和1L-MoS2/SiP2异质结构偏振依赖的PL强度。
为了研究各向异性电介质SiP2引入的界面对称性破缺对于MoS2半导体电学输运特性的影响，作者们测量了SiP2顶栅门控1L-MoS2晶体管沿x（y）方向的电导。如图3所示，1L-MoS2/SiP2晶体管的电导表现出巨大的各向异性，电导的各向异性指数可高达103，这意味着利用SiP2介电材料的电介质/半导体界面对称性工程可以将C3对称的1L-MoS2中的各向同性电子态转变为高度各向异性。同时，作者们发现这种巨大的电导各向异性还可以被SiP2栅压原位的连续调控至各向同性。随着MoS2的厚度从单层增加到20 nm时，电导各向异性指数迅速从~103下降到~1，这一结果直接证实了上述各向异性的电导行为正是来自MoS2/SiP2异质结构的界面对称性破缺。值得一提的是，单层MoS2中这种由各向异性介电材料诱导的电导各向异性指数是迄今为止所报道的包括各向异性材料在内的最大数值之一。
图3. MoS2/SiP2异质界面栅极可调的各向异性电学特性。（a）双栅调控的1L-MoS2/SiP2场效应器件示意图。（b）1L-MoS2在背栅为20 V条件下不同方向电导的转移特性曲线（扫描顶栅）。（c）电导各向异性指数随栅极栅压的变化。（d，e）不同方向电导随顶栅和底栅的函数关系。(f)电导各向异性指数随顶栅和底栅的函数关系彩图。（g）MoS2/SiP2器件电导各向异性指数随MoS2厚度的函数。（h）不同层状材料中电导各向异性指数的总结图。
综上所述，作者们展示了一种新型各向异性范德华电介质SiP2，将电介质的晶格对称性作为一种调控自由度引入电介质/半导体异质界面，打破了栅极电介质材料通常只能通过外加电场的场效应调节沟道半导体电子态的传统认知。与经典的高对称性电介质/半导体异质界面不同，此工作所展示的各向异性电介质/半导体异质界面能够实现界面对称性的破缺，形成独特的各向异性界面莫尔势，在TMDC/SiP2结构中产生原本TMDC材料不具备的巨大各向异性的物理性质，极大的扩充了具有各向异性物性的材料体系，为调控界面电子态提供了有力方法。此研究工作为探索电介质/半导体异质界面与对称性相关的界面物理现象提供了一个独特的平台，也为人们寻找更多功能性电介质、构建更多复杂电介质/半导体异质界面及实现其中的新奇功能性质调控提供了重要参考。
相关研究工作以“An Anisotropic van der Waals Dielectric for Symmetry Engineering in Functionalized Heterointerfaces”为题发表在期刊Nature Communications上。南京大学现代工程与应用科学学院19级直博生李泽亚、研究员黄俊伟，22届博士毕业生周令，和北京航空航天大学材料科学与工程学院23级博士生徐子安为论文的共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院袁洪涛教授、北京航空航天大学材料科学与工程学院汤沛哲教授和日本东京大学Toshiya Ideue教授为论文的共同通讯作者。该研究工作还得到北京高压科学研究中心缑慧阳教授团队、重庆大学鲁杨帆教授团队、日本东京大学Yoshihiro Iwasa教授团队和南京大学物理学院奚啸翔教授团队的大力支持。该合作研究中南京大学的研究人员得到了国家自然科学基金委“中日韩前瞻性研究计划”、科技部重点研发计划、南京大学固体微结构物理国家重点实验室、南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学中央高校基本科研业务费、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室、江苏省“双创计划”、江苏省优势学科等的资助与支持。
论文信息：
An Anisotropic van der Waals Dielectric for Symmetry Engineering in Functionalized Heterointerfaces.
Zeya Li†, Junwei Huang†, Ling Zhou†, Zian Xu†, Feng Qin, Peng Chen, Xiaojun Sun, Gan Liu, Chengqi Sui, Caiyu Qiu, Yangfan Lu, Huiyang Gou, Xiaoxiang Xi, Toshiya Ideue*, Peizhe Tang*, Yoshihiro Iwasa, Hongtao Yuan*.
Nature Communications 14, 5568 (2023) .
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41295-6
