記者從中國科學技術大學獲悉，中科大張樹辰特任教授團隊聯(lián)合美國普渡大學、上?？萍即髮W的研究人員，在新型半導體材料領域取得重要進展——研究團隊首次在二維離子型軟晶格材料中，實現(xiàn)了面內可編程、原子級平整的“馬賽克”式異質結的可控構筑，為未來高性能發(fā)光和集成器件的研發(fā)開辟了全新路徑。相關成果于1月15日在線發(fā)表于國際權威學術期刊《自然》。

在半導體領域，能夠在材料平面內橫向精準構建異質結構，是探索新奇物性、研發(fā)新型器件及推動器件微型化的關鍵。然而，以二維鹵化物鈣鈦礦為代表的離子型軟晶格半導體，其晶體結構柔軟且不穩(wěn)定，傳統(tǒng)光刻加工等技術往往因反應過于劇烈而破壞材料結構，難以實現(xiàn)高質量的橫向異質集成。如何在此類材料中實現(xiàn)高質量、可控外延的橫向異質結的精密加工，是此領域面臨的重要科學難題。

面對這一挑戰(zhàn)，研究團隊獨辟蹊徑，創(chuàng)新性地提出并發(fā)展了一種引導晶體內應力“自刻蝕”的新方法。研究人員發(fā)現(xiàn)，二維鈣鈦礦單晶在生長過程中會自然累積內部應力，團隊巧妙設計了一種溫和的配體-溶劑微環(huán)境，能夠選擇性地激活并利用這些內應力，引導單晶在特定位置發(fā)生可控的“自刻蝕”，從而形成規(guī)則的方形孔洞結構。隨后，通過快速外延生長技術，將不同種類的半導體材料精準回填，最終在單一晶片內部構筑出晶格連續(xù)、界面原子級平整的高質量“馬賽克”異質結。

“這種全新的加工方法，不是通過‘拼接’不同材料，而是在同一塊完整晶體中，引導它自身進行精密的‘自我組裝’。”張樹辰解釋道，“這意味著，未來我們有可能在一塊極薄的材料上，直接‘生長’出密集排列的、能發(fā)出不同顏色光的微小像素點，為未來的高性能發(fā)光與顯示器件的發(fā)展，提供一種全新的備選材料體系和設計思路。”

研究人員表示，此項研究首次在二維離子型材料體系中，實現(xiàn)了對橫向異質結結構的高質量、可設計性構筑，突破了傳統(tǒng)工藝的局限，其展現(xiàn)的駕馭晶體內應力與動力學新范式，實現(xiàn)了單晶內部功能結構的可編程演化，為研究理想化界面物理提供了全新平臺，也為低維材料的集成化與器件化開辟了新的路徑。