用于二维电子学的稳健范德华类金刚石介电材料

《Matter》：Robust van der Waals diamond-like dielectric for two-dimensional electronics

　　

进展与潜力

介电工程仍然是二维（2D）纳米电子学中的主要瓶颈。传统氧化物介电材料在与二维材料集成时，存在表面悬挂键和界面无序问题；而传统二维绝缘体如六方氮化硼则受限于较低的介电常数和中等击穿场强。本工作报道了剥离型氟化金刚烷（F-diamane）的制备，这是一种sp³键合的类金刚石材料，可作为稳健的范德华（vdW）栅极介电材料。F-diamane 通过近完美 (C₂F)_n 氟化石墨的机械剥离合成，兼具超宽禁带（约5.5 eV）、高介电常数（约12）、超过10 MV/cm（最高达20 MV/cm）的超高电击穿场强以及优异的热导率（约265 W/(m·K)）。当集成到二维场效应晶体管中时，F-diamane 可实现高性能p型（WSe₂）和n型（MoS₂）沟道。此外，F-diamane 还被验证可用于具有长保持时间和高迁移率石墨烯晶体管的非易失性α-In₂Se₃ 铁电半导体晶体管。

本工作确立了 F-diamane 作为一种多功能 vdW 介电平台，能够同时解决二维电子学中的关键介电挑战，如低介电常数、介电击穿和局部热管理问题。高质量 F-diamane 薄膜的可扩展合成有望加速向高密度、节能型二维半导体集成技术的产业化转变。

亮点

•

氟化金刚烷是一种面向二维电子学的高-κ（约12）范德华介电材料

•

氟化金刚烷具有超过10 MV/cm的高击穿场强

•

氟化金刚烷提供高热导率（265 W/m·K）以散热

•

氟化金刚烷可与多种二维材料良好集成

摘要

金刚石具有超宽禁带、卓越的热导率和出色的介电强度，但原子级薄类比材料的缺失长期阻碍了其集成到范德华（vdW）纳米电子学中。在此，我们展示了一种二维（2D）类金刚石介电材料——氟化金刚烷（F-diamane），它在保留 sp³ 键合碳骨架的同时，提供了原子级平整、化学稳定的 vdW 表面。通过结构、电学、热学表征的综合研究，我们发现剥离型 F-diamane 具有约5.5 eV 的宽带隙、约12 的大介电常数、超过10 MV/cm（最高达20 MV/cm）的超高击穿场强以及约265 W/(m·K) 的优异热导率。利用这些特性，我们展示了 F-diamane 作为高质量介电材料，在集成多类二维材料的高性能器件中的应用，包括石墨烯半金属、过渡金属硫族化合物半导体和铁电半导体。我们的结果确立了 F-diamane 作为一种稳健、多功能的 vdW 介电材料，并凸显了其在克服下一代二维电子和存储技术中介电瓶颈方面的潜力。

图形摘要