N07组 — 纳米器件及其物理

中科院物理研究所, 纳米物理与器件研究室

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1. 高迁移率二维半导体晶圆制备与高性能器件集成

  • 硅基半导体材料、器件和工艺的发展直接推动了电子工业革命。然而在晶体管尺寸持续微缩的发展趋势下,传统硅基半导体器件达到了物理极限,面临着性能与功耗的瓶颈。高迁移率二维半导体,因其物理极限的单原子层厚度、强的栅控能力、表面原子级平整且无悬挂键,是解决当前晶体管微缩瓶颈,构筑亚10nm高性能半导体芯片的一类战略新材料。 我们课题组的一个研究方向是探索高迁移率二维半导体晶圆的可控制备以及高性能器件集成。经过10余年的积累,课题组已经取得了系列原创性成果,处于国际引领地位。目前,已经搭建了具有自主知识产权的国际一流生长设备,在国际上首次实现了graphene/hBN摩尔超晶格的范德华外延(Nat. Mater. 2013)、2/4英寸单层及多层MoS2高质量晶圆取向外延(ACS Nano 2017,Nano Lett. 2020, Natl. Sci. Rev. 2022);发展了超薄半导体材料的无损转移技术,实现了晶圆级MoS2同质结转角的精确控制(Nat. Commun. 2020, 入选当年化学和材料科学文章50强)和直写图案化(2D Mater. 2020);发展了单层MoS2的相变技术,发现相界的高催化活性(J. Am. Chem. Soc. 2017, Nat. Commun. 2019);发展了二维半导体高性能器件构筑的关键技术,实现了最先进的亚10nm超短沟道器件(Adv. Mater. 2017)和全二维材料器件的三维垂直集成(Adv. Electron. Mater. 2020,封面);基于生长的高品质单层MoS2在国际上首次构筑了大面积柔性器件和电路,实现了目前已有报道中最高的器件密度和器件性能(Nat. Electron. 2020)。

2. 低温强磁场下的量子输运测量 

  • 固体中的电子输运主要是通过电学测量的方式研究材料的物理性质,一直是凝聚态物理的前沿方向。输运测量既可以反应材料的能带和声子等本征物性,也可以得到材料的杂质、缺陷等非本征的信息。随着近年来碳纳米管、石墨烯以及其他二维范德华层状材料的兴起,尤其是转角体系平带、超导、关联绝缘体等的发现,这些维度受限体系为研究固体中电子输运注入了新的活力,也是发现新奇量子物态的重要手段。 我们课题组的一个重要方向是以量子输运测量为手段,研究这些低维体系中出现的新奇物理现象,包括:1)低维材料的电子结构以及新奇量子态的输运研究;2)转角摩尔超晶格的超导和强关联效应的研究;3)高频噪音谱学的研究;4)电子-纳米机械振动耦合,以及电子-超导微波腔耦合的研究。已取得如下成果:发现石墨烯/氮化硼异质摩尔超晶格并观测到了超晶格狄拉克点(Nat. Mater. 2013,被引900余次)、超晶格张量周期势(Nat. Phys. 2014)、超晶格的带隙(Nat. Comm. 2014)、分形的朗道能级谱(Nano Lett. 2016)、热致旋转(Phys. Rev. Lett. 2016)等;发现转角双层-双层石墨烯的平带结构和自旋极化关联绝缘态(Nat. Phys. 2020,被引260余次,入选2020中国百篇最具影响力论文)、能谷极化关联绝缘态(Nat. Comm. 2022),电子声子相互作用和量子临界行为(Arxiv 2021);发现魔角石墨烯的超导和关联效应(Nature 2019,被引730余次)和非魔角石墨烯的陈绝缘体(CPL express 2021)等;发现一种新的Zener-Klein隧穿效应,并实现远程 Hyperbolic 声子的高效制冷(Nat. Nanotechnol. 2018);提出一种由磁激发不稳定而导致的量子霍尔效应崩溃(QHE breakdown)机制(Phys. Rev. Lett. 2018);发现了石墨烯纳米带锯齿边缘态(Phys. Rev. Lett. 2018);发现了具有关联特性的Fabry-Perot震荡(Phys. Rev. Lett. 2020),实现电子对碳纳米管振动声子的量子调控(Nat. Phys. 2020);实现了范德华异质结的转角控制(Nat. Comm. 2018,2020)、超滑现象(Nat. Mater. 2022)。  

3. 低维量子材料对称性破缺光电子学 

  • 对称性破缺从根本上决定了材料的众多新奇物理现象,是物质科学的基本研究范式之一。凝聚态物理学的最大成就之一就是通过对称破缺对量子物态和相变进行分类。低维量子材料,因其电子运动被束缚在较低的维度上,为研究对称性破缺物理学提供了一个良好的平台。同时,低维量子材料体系的对称性破缺很容易被外加电场、磁场、光场、转角、介电环境、应变等多物理参量所调控,为工程对称性破缺相关的新奇物性提供了机会。这不仅有利于解决凝聚态物理中一些重要的基础问题,而且在低功耗的拓扑能谷电子器件、新型光电器件、高效的能源利用等方面具有广阔的应用前景。 围绕低维量子材料对称性破缺光电子学,课题组聚焦如下几个方面的研究:1)探索新低维量子材料中的对称性破缺光电子学,实现新量子物态的发现;2)探索二维材料对称性破缺光电子学的多物理场调控,突破已有性能参数,进而实现新型光电功能信息器件的构筑;3)探索二维材料对称性破缺的协同耦合,激发出1+1>2的全新物理现象和量子态,开辟新的基础研究前沿和技术应用方向。目前已取得如下成果:发展了三种有效策略实现了对能谷寿命的极大增强,获得了室温下鲁棒性的能谷极化,为构筑低功耗的光谷电子器件提供了坚实的科学技术基础(Phys. Rev. B 2018/2019/2022, Nat. Commun. 2019, Research 2019);发现了一类C3旋转对称性本征破缺的范德华材料,目前最佳水平的线性和非线性光学各向异性(Nat. Commun. 2021);阐明了时间反演对称性自发破缺的二维巡游铁磁材料中声子的手性以及自旋声子之间的强耦合(Adv. Funct. Mater. (2019));发展了基于原子力显微镜的层间转角原位操控技术,实现了对范德华异质结层间转角的精确调控,并阐明了层间转角对对称性破缺以及光电学性能的影响(Appl. Phys. Lett. 2017, Nat. Commun. 2018, Matter 2020)。基于对二维材料对称性破缺以及对称性破缺操控深入地理解和掌握,受邀在国际知名期刊Nature Review Physics撰写综述“Engineering symmetry breaking in 2D layered materials”,反映课题组在这个领域的高度国际认可度。

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