北京理工大学武旭教授、邵岩教授课题组ACS Nano：具有近零界面带偏移的平面内过渡金属二硫化物结

研究背景

基于层状过渡金属二硫族化物的二维平面内异质结具有独特的电子特性，在下一代电子器件中具有广泛的应用前景。然而，由于离子注入在二维体系中有一定困难，其制造仍然依赖于不同材料的横向外延，这往往会带来晶格失配，并导致界面电子散射，从而影响器件的性能。近日有报道称，利用二维体系对环境的敏感性，可以在具有不同电子掺杂效应的范德华衬底上，构筑出非层状同质材料（如Te和SiTe）的平面内电子结，从而避免了不同材料之间的晶格失配，可以消除界面处的band offset和带隙内的多余电子态，进而提升器件性能。然而，由于常见的层状TMD材料受衬底的掺杂作用较弱，这种平面内电子结的制造策略在层状TMD上的应用仍未见报道。

第10族TMD材料，例如PtSe₂和PtTe₂，具有强的范德瓦尔斯（vdW）层间耦合作用。近年来的研究表明，这类TMD材料具有高载流子迁移率和优异的空气稳定性，在下一代电子器件中具有广阔的应用前景。更重要的是，此类材料易受到范德华衬底的掺杂作用影响，其电子结构与厚度密切相关。特别是PtTe₂材料，在三层时会发生半导体-金属跃迁，并且存在明显的Te-p_z轨道层间杂化。因此，在不同掺杂效应的范德华衬底上制备PtTe₂材料，为构建新型平面内电子结和提升器件性能提供了理想的平台。

成果介绍

鉴于此，北京理工大学武旭教授、邵岩教授课题组报道了在单层石墨烯（MLG）和双层石墨烯（BLG）界面上，成功制备出具有连续界面的单层PtTe2平面内电子结。在此基础上，利用原子级的扫描隧道显微镜对该结构的局域电子态进行表征。结果显示，界面处原子晶格和电子结构是连续的，形成了典型的Ⅱ型电子能带结构，结两端的band offset接近于零。基于该策略，单层PtTe2的掺杂浓度，可以通过不同层厚的二维材料带来的屏蔽作用来进行操控，进而形成界面连续的电子结构。该技术可以扩展到其他具有强层间耦合的二维半导体，为制造以此为基础的纳米电子器件提供了一条途径。文章以“In-Plane Transition Metal Dichalcogenide Junction with Nearly-Zero Interfacial Band Offset”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上，北京理工大学物理学院2022级硕士研究生张金凤为论文第一作者。    

图文导读

图1. 单层PtTe₂岛在单/双层石墨烯上的STM图像。    

图2. 单/双层石墨烯上单层PtTe₂边缘的能带弯曲。

图3.横跨单/双层石墨烯边界的PtTe₂岛具有连续的原子结构。    

图4. 单层PtTe₂在单/双层石墨烯边界处的带对准，显示出明显的能级变化。

图5. 单/双层石墨烯对衬底电荷转移屏蔽的示意图。

总结与展望

综上所述，具有强层间耦合的单层PtTe₂可以制备band offset近于零的平面内TMD电子结。在MLG/BLG衬底上外延制备的ML PtTe₂可以调节SiC的界面掺杂效应。利用扫描隧道显微镜/谱，分别表征了MLG和BLG上ML PtTe₂边缘的能带弯曲，表明了ML PtTe₂在BLG上表现出更强的p型特征。此外，ML PtTe₂岛生长在MLG/BLG阶梯边界上，边界处为连续晶格，界面处呈现平滑过渡，band offset接近于零。这种制造层状TMD平面内电子结的技术，可以扩展到其他具有强层间耦合的二维半导体，为制造以此为基础的纳米电子器件提供了一条途径。    

文献信息：

Jinfeng Zhang, Genyu Hu, Shihao Hu, Yun Zhang, Weikang Zhou, Lilin Yang, Ziqiang Xu, Jingsi Qiao, Zhilin Li, Hong-Jun Gao, Yeliang Wang*, Yan Shao*, Xu Wu*, In-Plane Transition-Metal Dichalcogenide Junction with Nearly Zero Interfacial Band Offset, ACS Nano, 19, 1, 803-810 (2025).

DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12092         

文献链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c12092    

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