二维超晶格上的原子层沉积，精准纳米结构的新路径！

【研究背景】

随着科技的不断发展，下一代高速、低功耗器件的需求日益迫切。在这个背景下，面积选择性原子层沉积（AS-ALD）作为一种新兴的图案化工艺引起了科学家的关注。AS-ALD是通过预定义表面的化学活性区域，在所需区域实现目标材料的沉积，从而实现对器件性能的精确控制。然而，传统的AS-ALD技术仍然存在着一些挑战，尤其是在提高图案化分辨率和选择性方面。

【成果介绍】

鉴于此，首尔高丽大学材料科学与工程系YongJoo Kim以及韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系Kibum Kang教授团队开始探索新的AS-ALD方法，以解决传统技术中存在的问题。其中，最引人注目的是基于二维（2D）MoS2-MoSe2侧向超晶格的AS-ALD（SAS-ALD）技术。这种新型技术利用了2D材料的特殊结构，通过在MoS2和MoSe2区域实现选择性沉积，从而克服了传统AS-ALD中的一些限制。相比于传统方法，SAS-ALD能够实现更高分辨率的图案化，并且具有更好的选择性，即使在小尺寸图案中也能有效地实现选择性沉积。SAS-ALD的研究不仅提出了新的技术解决方案，而且深入探索了其机制。研究表明，SAS-ALD的机制与传统AS-ALD有所不同，主要通过ALD前体的物理吸附和扩散来实现选择性沉积。相关成果在“Nature Communications”发题为“Area-selective atomic layer deposition on 2D monolayer lateral superlattices”的研究论文。这一发现为未来更深入的研究提供了重要线索，并为开发更先进的图案化工艺奠定了基础。

【图文解读】

为了实现面积选择性原子层沉积（SAS-ALD），研究人员在图1a中通过化学气相沉积（CVD）过程使用二乙基硫（DES）和二甲基硒（DMSe）交替来生长单层MoS2（黄色）-MoSe2（红色）侧向超晶格。在图1b中，SEM图像展示了形成的侧向超晶格，其中包含MoS2区域（深灰色）和MoSe2区域（浅灰色）。通过控制气相前体的流量，他们制备了不同间距尺寸的超晶格，为后续的选择性沉积提供了基础。在图1c中，示意图展示了目标材料选择性地沉积在MoSe2区域的过程。最后，在图1d中，SEM图像显示了通过热ALD在MoS2-MoSe2侧向超晶格上沉积Al2O3后的结果，白色区域表示选择性沉积的Al2O3在MoSe2上，而黑色区域是MoS2。这些实验结果表明，通过这种超晶格基SAS-ALD方法，可以实现对特定区域的高度选择性沉积，为下一代高速、低功耗器件的发展提供了新的途径。

图1. 基于超晶格的面积选择性原子层沉积（SAS-ALD）过程。

图2展示了对MoS2-MoSe2侧向超晶格上Al2O3 SAS-ALD的表征。图2a显示了在Si/SiO2衬底上生长的MoS2-MoSe2侧向超晶格上Al2O3的AFM图像。Al2O3以70 nm宽度和120 nm间距的形式选择性沉积，厚度约为10 nm。图2b为高角度暗场透射电子显微镜（HAADF-STEM）横截面图像，显示了Al2O3周期性且选择性地沉积在MoS2-MoSe2侧向超晶格上。图2c中的EDS映射图像显示Al2O3仅在MoSe2区域上选择性沉积。图2d-h展示了通过调节超晶格宽度来控制线条模式的可控性，可形成不同宽度和间距的Al2O3线条图案。图2i-j展示了在Si/SiO2和c面蓝宝石衬底上生长的侧向超晶格的SEM图像，显示了Al2O3线条图案的不同方向。图2k为c面蓝宝石衬底上生长的侧向超晶格的AFM图像，显示了1 nm的Al2O3选择性沉积。总的来说，图2展示了Al2O3 SAS-ALD在MoS2-MoSe2侧向超晶格上的选择性沉积以及对线条模式的控制。

图2. Al2O3 SAS-ALD在MoS2-MoSe2侧向超晶格上的表征。

图3展示了SAS-ALD中MoSe2区域上Al2O3的周期性沉积过程。在图3a中，通过SEM图像展示了具有15个ALD周期的侧向超晶格，其中MoSe2区域显示了Al2O3的周期性沉积，而MoS2区域没有任何沉积。图3b显示了进行60个ALD周期后，Al2O3岛完全合并形成连续的线条。此外，Al2O3不仅在MoSe2区域选择性沉积，而且在MoSe2特定位置周期性沉积。补充图4a-4d显示了具有相对较宽MoSe2宽度的侧向超晶格的SAS-ALD过程。在这种情况下，MoSe2区域内周期性形成了几纳米大小的大型皱褶结构，并且类似于图3a的周期性Al2O3沉积可以观察到。图3c和3d展示了超晶格的MD模拟映射图像，揭示了MoSe2区域中的高度和应变的周期性变化。MD模拟表明，MoSe2区域形成了周期性的波纹结构，以缓解与MoS2的相干键合产生的压缩应变。STEM测量显示了MoSe2区域内周期性的压缩应变位点，这解释了Al2O3在SAS-ALD中周期性沉积的现象。此外，基于MD模拟和STEM测量，MoS2-MoSe2侧向超晶格被划分为无应变的MoS2、受拉应变的MoSe2波峰和受压应变的MoSe2波谷三个区域，图3g对此进行了图解。因此，图3揭示了SAS-ALD中MoSe2区域上Al2O3周期性沉积的机制。

图3. 在SAS-ALD中MoSe2区域上的Al2O3周期沉积。

为了解析SAS-ALD的机理，作者分析了ALD前体在侧向超晶格中的行为，并排除了直接反应和表面缺陷对选择性沉积的影响。接着，作者通过DFT计算和kMC模拟研究了TMA在二维TMD表面上的吸附和扩散行为。结果表明，TMA在压缩的MoSe2波谷区域具有最稳定的吸附能量和最低的扩散障碍，导致该区域中TMA浓度最高。进一步的实验验证了这一结论，温度降低或MoS2宽度增加时，选择性沉积减弱。综上所述，SAS-ALD机制中选择性沉积的关键在于TMA在压缩的MoSe2波谷区域的稳定吸附和快速扩散，这一机制对于解析SAS-ALD的原理至关重要。

图4. SAS-ALD机制。

【结论展望】

本研究在二维侧向超晶格表面上发现的AS-ALD（选择性原子层沉积）过程为纳米尺度器件的制备开辟了新的途径。通过深入理解ALD前体的吸附和扩散行为，研究人员创新性地展示了一种独特的选择性沉积机制，这对于制备多种材料，包括Al2O3、HfO2、Ru、Sb2Se3和Te，都具有潜在的应用前景。利用二维超晶格的侧向生长属性作为选择性沉积模板，研究团队成功将图案尺寸最小化到10纳米的一半间距，为纳米电子器件的精细加工提供了可能性。这一发现为新型器件设计提供了新的思路，例如通过SAS-ALD结构轻松制造TMD纳米带器件，为先进电子学和纳米技术的发展创造了机会。此外，研究人员还探讨了将AS-ALD材料应用于二维半导体的栅极氧化物或金属接触，为二维器件的进一步改进和应用奠定了基础。通过深入研究材料特性和选择性沉积机制，本研究为制备具有精确控制结构和性能的新型电子器件提供了启示。这种创新性的AS-ALD方法不仅促进了纳米尺度器件的制备，还为材料科学、纳米技术和电子学领域的未来研究提供了有力的科学基础。

【文献信息】

　　文献详情：Park, J., Kwak, S.J., Kang, S. et al. Area-selective atomic layer deposition on 2D monolayer lateral superlattices. Nat Commun 15, 2138 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46293-w

　　来源：低维 昂维