第一作者：程智輝
通訊作者：程智輝，Aaron D. Franklin, Curt A. Richter
通訊單位：美國國家標準與技術研究院，普渡大學，杜克大學
關于平坦，我們知道什么？
在人眼可見的尺度，鏡子是平的，餐桌是平的，道路是平的，靜謐的湖水也是平的。
那在納米尺度 (10-9 m) 或是埃米 (10-10 m) 尺度，材料的平坦性又如何知曉呢？其實要了解納米材料的表面平坦性很簡單，可以借助原子力顯微鏡(AFM) 來測量。真正困難的是如何探測不同納米材料之間界面的平坦性。
界面的平坦性可能和表面不一致。這相當于在問，靜謐湖水下的湖底是否平坦，或者湖底下，地殼和地幔之間界面是否平坦。
為探索納米界面的平坦性，由美國國家標準與技術研究院領銜的多個院校的研究人員，采用橫斷面掃描透射電子顯微鏡觀察了多種二維納米材料界面，包括二維與二維之間，三維與二維之間的界面。
人們通常認為二維材料界面都是很平的。這樣的觀點主要是基于小范圍納米界面的觀測，比如100 納米或者更小。
此次，研究人員一共觀測了長達12微米的納米界面，比100 納米提升了兩個數量級。通過數字化這些橫斷面里的納米界面，作者們將這些界面平坦性精確到了埃米級別。
作者們特別研究了器件制作過程對二維界面平坦性的影響，比如常用的堆疊(stacking)，原子層沉積(ALD)，金屬蒸發沉積(metal evaporation) 等步驟。
堆疊氮化硼
堆疊在近些年常被用到，尤其是在研究基于不同二維材料的異質結和魔角二維材料中。
例如，在研究基于過渡金屬硫屬化物 (TMD) 的魔角結構中，由于TMD的側接觸 (side contact) 電阻遠超過表接觸 (top contact) 電阻，所以，通常會將氮化硼堆疊到已經制作好的表電極上，而此時所產生的二維界面不平坦的現象通常被忽視。
作者們首先研究了，把25納米厚的氮化硼堆疊到16 納米厚的電極和兩層硫化鉬上。可以從圖1c中看出，這種堆疊在電極附近形成了空腔。
圖1. 堆疊氮化硼到接觸電極和二維材料上。
接觸電極右邊的兩層硫化鉬也被推擠了10 納米高。在稍微遠離電極的地方，氮化硼和硫化鉬之間還產生了2-3 納米的空隙。有的空隙長度甚至超過500納米。這些結果與此前人們的預期大相徑庭。
這些結果表明，堆疊二維材料到本身就不平坦的表面上，多重界面不平坦性將會顯現。
原子層沉積(ALD)
如果未來芯片中的晶體管中要用到二維半導體材料，原子層沉積會是一個無法繞開的制造步驟。然而，人們對于這個步驟如何影響二維界面的平坦性還一無所知。
從圖2中可以觀察到，原子層沉積形成的上層氧化鋁與硫化鉬的界面平坦性遠差于圖1d中氮化硼和硫化鉬的界面。畢竟前者是三維與二維界面，而后者是二維與二維界面。
這種溝道與ALD所形成的高介電常數氧化物之間的低平坦納米界面如何影響器件性能還有待進一步探索。
圖2. 原子層沉積對二維界面平坦性的影響。
金屬蒸發沉積 (metal evaporation)
金屬蒸發沉積應該是應用最廣泛的納米器件制作步驟。將二維納米材料應用于晶體管，感應元件，以及光電元件都需要用到金屬作為電極。
從圖3中可以看出，作者們研究了不同電極接觸長度，從38 納米到200納米，以及不同的三維與二維界面，包括鎳與兩層硫化鉬，金與氮化硼，鉻與氮化硼。
例如圖3a，作者們發現鎳與硫化鉬的界面會形成納米空腔，而且跟接觸長度無關。而這些空腔的高度會因為有堆疊氮化硼的步驟而減小。這個發現也刷新了此前對于金屬與二維材料界面總是平坦的認知。
圖3. 不同三維與二維納米界面的表征與量化。
還可以發現，金與氮化硼，鉻與氮化硼有更平坦的納米界面。而且，鉻與氮化硼之間2納米的空隙應該是氧化鉻。這表明，如果用鉻來做接觸電極，真正接觸納米材料的，很有可能是氧化鉻而不是純金屬鉻。
納米界面的平坦性對器件性能的影響
最后，作者們研究了同一個硫化鉬晶體管，對比堆疊氮化硼之前和之后，其性能的變化。他們發現，堆疊后，器件里的納米界面變得不平坦了，然而，器件的性能卻有所提高：跨導增長了40%，飽和電流提高了14%。
這種性能提升可能與兩個方面有關。一方面，氮化硼保護了溝道中的硫化鉬。另一方面，堆疊氮化硼的過程使接觸電極產生了應變 (strain)。
總結與展望
這項研究
第一，開拓了在埃米精度上研究二維納米界面的平坦性
第二，擴展了對二維納米界面的表征和量化長度，提升了兩個數量級
第三，闡明了不同器件制作過程對納米界面平坦性的影響
第四，展示了二維納米界面的平坦性對器件性能的影響
從基礎研究角度，這些進展將會促進納米材料和器件等相關領域重視和研究納米界面的平坦性。以及促進探索納米界面平坦性如何影響電學，光學，磁學，低溫，拓撲，以及納流控學等多學科的材料性質和功能。該研究還將會啟發更多方法在埃米尺度上表征和量化納米界面。
在應用方面，該研究將會幫助器件工程師們更好地分析納米界面，促進制造更高性能的納米器件和接觸電極，并探索更豐富的應變分析和界面工程。
參考文獻
Zhihui Cheng, et al. Are 2D Interfaces Really Flat? ACS Nano 2022.
DOI：10.1021/acsnano.1c11493
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11493
