可控合成非层状高 κ Mn3O4单晶薄膜：二维电子学的新突破

为解决二维（2D）电子器件中高介电常数（κ）材料稀缺问题，研究人员开展非层状高 κ Mn3O4单晶薄膜可控合成研究。结果表明，该薄膜性能优异，集成的 MoS2场效应晶体管（FETs）表现良好。这为 2D 电子学发展提供了新方向。

　　在科技飞速发展的当下，电子设备不断向小型化、高性能化迈进。二维（2D）材料凭借其独特的原子级薄层结构和优异的电子特性，被视为未来电子器件的 “潜力股” ，有望突破传统硅材料的性能瓶颈。然而，在 2D 材料走向实际应用的道路上，一个棘手的问题横亘在前 —— 能够与 2D 半导体完美融合的高介电常数（κ）材料极为稀缺。

传统的高 κ 绝缘材料，如 Al₂O₃和 HfO，虽然在现代半导体工艺中广泛应用，但它们的非晶结构会引入电荷散射和陷阱态，就像在电子传输的道路上设置了重重障碍，严重影响 2D 场效应晶体管（FETs）的电子传输性能，阻碍了 2D 电子器件进一步缩小尺寸和提升性能的步伐。因此，寻找一种既具有高 κ 值，又能实现可控合成的高质量单晶薄膜材料，成为科研人员亟待攻克的难题，这对于延续摩尔定律、推动电子器件的发展意义重大。

中国科学院福建物质结构研究所的研究人员勇挑重担，开展了一项关于非层状高 κ Mn₃O₄单晶薄膜可控合成的研究。他们成功制备出了性能卓越的 Mn₃O₄单晶纳米片，其介电常数高达 135，等效氧化物厚度（EOT）低至 0.8nm，击穿场强（E_bd）超过 10MV/cm。与 Mn₃O₄薄膜集成的 MoS₂场效应晶体管在低电压（<1V）下就能高效运行，实现了接近 10⁸的 I_on/I_off比，亚阈值摆幅（SS）低至 84mV/dec，几乎零滞后（<2mV/MV cm^-1 ）且漏极诱导势垒降低（~20mV/V）。这一成果发表在《Nature Communications》上，为二维电子学领域注入了新的活力，为未来高性能 2D 晶体管的制造开辟了新的道路。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，采用化学气相沉积（CVD）技术，以 NaCl 和 MnCl₂·4H₂O 为前驱体，在云母基底上生长 Mn₃O₄单晶纳米片。其次，利用光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱、X 射线光电子能谱等多种表征手段，对材料的形貌、结构和成分进行深入分析。此外，通过构建石墨烯双栅场效应晶体管和金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）电容器，测量 Mn₃O₄的介电性能。

高质量超薄 Mn₃O₄阵列的合成

研究人员利用水合物辅助减薄的 CVD 方法，通过精确计算 Mn₃O₄与不同基底的晶格失配度，发现其与云母的晶格失配度仅为 1.9% ，这使得 Mn₃O₄能在云母基底上实现精准的定向生长。实验结果显示，在云母基底上几乎能观察到 100% 均匀取向的超薄 Mn₃O₄三角形纳米片，且其表面粗糙度的均方根（R_q）低至 0.13nm，展现出优异的平面度。通过控制 CVD 的生长条件，还能制备出不同厚度的超薄 Mn₃O₄单晶，厚度可精确控制至 2.8nm。

超薄 Mn₃O₄单晶的介电性能

为探究超薄 Mn₃O₄作为介电材料的潜力，研究人员使用石墨烯双栅场效应晶体管进行测量。通过分析不同厚度 Mn₃O₄样品的电容 - 电压特性，确定了其介电常数。实验测得 35nm 的 Mn₃O₄样品的峰值介电常数为 119，44nm 的样品在 1kHz 下的介电常数约为 135。同时，Mn₃O₄的光学带隙经测量为 3.89eV，漏电流极低（10^-14~10^-7A/cm²），击穿场强超过 13.2MV/cm，这些性能均符合国际器件与系统路线图（IRDS）的标准，表明 Mn₃O₄是一种性能优异的高 κ 介电材料。

含 Mn₃O₄介电层的 MoS₂场效应晶体管的高性能

研究人员将机械剥离的少层 MoS₂与 Mn₃O₄结合，构建了顶部栅极的 MoS₂场效应晶体管。透射电镜观察发现，Mn₃O₄与 MoS₂之间存在精确的范德华（vdW）间隙，约为 5.6?，且元素分布均匀，形成了高质量的 vdW 界面。电学测试显示，该晶体管的 I_on/I_off比接近 10⁸ ，亚阈值摆幅低于 100mV/dec，栅极漏电流极低（10^-14A），归一化滞后 < 2mV/MV cm^-1 ，漏极诱导势垒降低约 20mV/V，展现出高效的介电调制能力和低功耗特性。此外，Mn₃O₄封装的 MoS₂器件的载流子迁移率在所有温度范围内都高于未封装的器件，表明 Mn₃O₄能有效屏蔽库仑杂质散射，提升器件性能。

在这项研究中，研究人员成功通过 CVD 技术实现了非层状超薄 Mn₃O₄在云母上的定向生长，制备出的 Mn₃O₄单晶纳米片具有高介电常数、低等效氧化物厚度和优异的击穿场强等卓越性能。集成了 Mn₃O₄薄膜的 MoS₂场效应晶体管展现出高效、低功耗的特性，为二维电子器件的发展提供了新的材料选择和技术思路。这一成果不仅丰富了二维高 κ 介电材料家族，还为非层状材料的单晶薄膜外延生长提供了可行的探索方向，有望推动下一代高度集成、高性能二维晶体管的制造，在电子学领域具有广阔的应用前景。