中科院苏州纳米所徐科研究员、徐俞研究员 Adv.Mater.：利用二维材料（2DMs）作为中介层，在非晶或异质基板上生长单晶薄膜

中科院苏州纳米所徐科研究员、徐俞研究员等人发表题为 “Epitaxy Beyond Periodic Lattices: Interfacial Modulation Enabled by Defect State 2D Materials”于 Advanced Materials 上。

本文探讨了远程外延（Remote Epitaxy, RE）技术，这是一种利用二维材料（2DMs）作为中介层，在非晶或异质基板上生长单晶薄膜的方法。传统的外延技术要求基板与外延层之间具有严格的晶格匹配，而远程外延技术通过2DMs的引入，突破了这一限制，为异质集成材料和器件的制造提供了新的途径。特别是，本文研究了缺陷态2DMs（如缺陷六方氮化硼，DBN）对远程外延的影响，揭示了缺陷诱导的电荷转移增强（DCTE）效应，并探讨了其在提高异质结探测器灵敏度方面的应用。这一研究不仅有望推动新型电子和光电子器件的发展，还为理解外延生长中的界面耦合机制提供了新的视角。

本文选用了多种2DMs作为研究对象，包括单层石墨烯（SLG）、单层及双层缺陷六方氮化硼（SDBN和BDBN），以及单层二硫化钼（MoS₂）等。通过化学气相沉积（CVD）方法制备了这些2DMs，并利用湿转移技术将其转移至目标基板上。随后，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统在覆盖有2DMs的基板上生长氮化镓（GaN）薄膜。为了研究缺陷对远程外延的影响，实验中特意在h-BN中引入了Stone-Wales（SW）缺陷和其他类型的缺陷（如空位缺陷和替代缺陷）。在覆盖有2DMs的GaN模板上低温生长GaN核岛，随后进行高温外延生长，形成连续的GaN薄膜。通过控制生长条件，如温度、气压和气体流量等，优化外延质量。

图1展示了GaN在BDBN/GaN模板上低温生长5分钟后的扫描电子显微镜（SEM）图像，图中白色箭头指示的GaN核岛展现出一致的取向，表明它们受到了基板晶体学方向的引导。通过TEM和选区电子衍射（SAED）分析，进一步证实了GaN核岛与基板之间存在完整的远程外延界面，两者具有相同的晶体学取向，这是远程外延成功的关键标志。EDS和EELS分析则提供了BDBN在外延界面处完整性的直接证据，排除了直接通过孔洞外延的可能性。这些结果首次通过实验证实了缺陷态2DMs（如BDBN）可以作为远程外延的中介层，实现单晶GaN薄膜的生长，与在无缺陷h-BN上无法实现远程外延形成鲜明对比，凸显了缺陷在远程外延中的关键作用。

图2展示了GaN在SLG/SDBN/GaN模板上的远程外延结果。SEM和TEM分析揭示了高质量的GaN外延层，其表面平整且晶体结构完整。SAED图案和EDS信号进一步证实了远程外延的成功实现，表明SLG/SDBN复合中介层能够有效地传递基板的晶体学信息至外延层。此外，Bader电荷分析表明，与直接在SLG或BDBN上生长的GaN相比，SLG/SDBN复合中介层显著增强了界面电荷转移，这得益于SDBN中缺陷诱导的电荷转移增强效应。这些结果不仅验证了SLG/SDBN复合中介层在远程外延中的有效性，还揭示了多层2DMs组合使用可以进一步优化界面电荷转移和增强外延层质量的潜力，对于开发高性能异质集成材料和器件具有重要意义。

图3总结了不同异质结构（包括GaN/2DM、GaN/2DM/GaN模板和GaN/GaN模板）的Bader电荷、结合能（E_b）和净电荷转移量（NCT）。数据显示，与无缺陷h-BN相比，缺陷态2DMs（如SDBN和BDBN）显著提高了NCT值，并增强了界面相互作用。这一发现表明，缺陷通过改变2DMs的电子结构，促进了界面电荷的流动和相互作用，从而有利于远程外延的实现。NCT作为衡量界面电荷转移能力的物理量，其数值大小直接反映了界面相互作用的强弱。图3的结果不仅为理解和设计新型远程外延体系提供了重要依据，还揭示了缺陷工程在调控界面性质中的巨大潜力。

图4通过计算SDBN和h-BN的电荷密度差（CDD）和电子局域化函数（ELF），深入揭示了缺陷对电子离域性的影响。与无缺陷h-BN相比，SDBN在B-B和N-N键周围表现出更强的电子离域性，这意味着电子更容易在这些区域移动和交换。DI和LI指数的计算结果进一步支持了这一结论，表明缺陷显著增强了SDBN中电子的离域程度。电子离域性的增强是DCTE效应的微观表现，它促进了界面电荷的转移和相互作用，从而有利于远程外延的实现。图4的结果为理解DCTE效应的物理机制提供了微观层面的证据，表明通过缺陷工程可以调控2DMs的电子结构，进而优化其在外延中的作用。

图5通过比较不同2DMs（包括SDG、单层MoS₂和缺陷单层MoS₂）及其缺陷类型对远程外延的影响，广泛验证了DCTE效应的普适性。结果显示，所有包含缺陷的2DMs均表现出比无缺陷对应物更高的NCT值和更强的界面相互作用。这一发现表明，DCTE效应并非局限于特定的2DMs或缺陷类型，而是具有广泛的适用性。通过引入缺陷，可以调控2DMs的电子性质，从而优化其在远程外延中的性能。图5的结果不仅扩展了DCTE效应的适用范围，还为开发基于多种2DMs的异质集成材料和器件提供了指导。

图6展示了SDBN/GaN光探测器的光电响应特性，这是DCTE效应在实际应用中的一个重要体现。与纯GaN光探测器相比，SDBN/GaN光探测器表现出更高的光响应速度和更短的上升/下降时间。这一性能提升归因于DCTE效应促进的光生载流子有效分离和复合率降低。通过计算SDBN/GaN异质结的电荷密度差，可以观察到在界面处形成了较大的内建电场，这有助于光生载流子的快速分离和传输。因此，SDBN/GaN光探测器在光照下能够迅速产生并传输光电流，从而实现高速的光电响应。这些结果证明了DCTE效应在提高光电器件性能方面的实际应用价值，为开发高性能光电器件提供了新的思路。

文献：https://doi.org/10.1002/adma.202517794