客户成果丨中南大学《Nature Communications》：用于2D场效应晶体管的超薄高k介质CaNb2O6的2D边缘籽晶异质外延

中南大学物理学院周喻教授课题组联合湖南大学潘安练教授、李东教授在二维介电材料领域取得最新进展，该成果以“2D edge-seeded heteroepitaxy of ultrathin high-κ dielectric CaNb2O6 for 2D field-effect transistors”为题发表在《Nature Communications》上。

在二维（2D）层状材料上实现单晶高κ电介质的制备是缩放场效应晶体管（FET）十分重要。然而，受各向同性三维生长的限制，可扩展的二维非非层状高κ电介质目前仍然很少，也难以同时满足二维极限下高介电常数和低陷阱密度的关键要求。该项工作采用了一种二维边缘种子异质外延及超慢动力学生长策略，通过化学气相沉积方法合成了超薄高κ的非层状二维CaNb2O6纳米片，并证明了二维CaNb2O6纳米片作为二维电子器件中高κ电介质的潜力。

图1：二维CaNb2O6纳米片的异质外延成核与低供给速率动力学控制生长a. 痕量CaO前驱体供给合成二维CaNb2O6纳米片的示意图。b.三明治结构前驱体放置结构示意图。c. CaNb2O6元胞的晶体结构。d. CaNb2O6纳米片的OM图像。e.超薄二维CaNb2O6纳米片的化学气相沉（CVD）生长机制。f. CaNb2O6纳米片的AFM图像。g. 不同晶面的表面能计算结果及其对应的原子结构排列。h.二维CaNb2O6纳米片的拉曼光谱和映射图像（插图，904cm-1）。i. 在云母上的二维CaNb2O6纳米片的HAADF横截面图像及其EDX元素映射。j. CaNb2O6/云母界面的HAADF-STEM图像。插图为它们界面的放大视图。

如图1所示，设计了一种三明治结构前驱体，通过将Nb₂O₅、NaCl粉末堆叠在含有0.5% CaO的Al2O3板上，从而实现了CaNb2O6的外延生长。通过在生长过程中引入少量硒作为催化剂，衬底上优先实现NbSe2形核，通过晶种诱导边缘异质外延实现CaNb2O6纳米片的面内外延生长。通过优化生长温度和时间，实现了从2.9 nm到数十纳米的厚度调控。

图2：二维CaNb2O6纳米片的带隙、介电和漏电特性a. CaNb2O6的电子能带结构。b. CaNb2O6纳米片的微区紫外-可见光谱（UV-VIS）吸收光谱。c. 二维CaNb2O6纳米片的电流-电压特性。插图为该器件的OM图像。d. 在f = 1.0 GHz下，通过微波阻抗显微镜测量的二维CaNb2O6纳米片的厚度依赖性介电常数。插图：基于TF-AFM的微波阻抗显微镜示意图，以及CaNb2O6纳米片在基板上对应的高度/微波阻抗显微镜信号映射。e. 二维电介质的厚度依赖介电常数的统计比较。f. 二维CaNb2O6纳米片的频率依赖介电常数。插图显示了Au/ CaNb2O6/Au的MIM器件结构。g. 通过MIM器件测量不同厚度的二维CaNb2O6纳米片的电流密度-场强特性。h. 典型二维介电材料与CaNb2O6的介电常数和击穿场强的比较。

实验结果表明，CaNb2O6纳米片具有较大的带隙（~4.26），展现出厚度独立的介电常数（约16）和高达12 MV/cm的击穿场强，即使在等效氧化物厚度低至0.7 nm时，介电常数也未出现明显退化。

图3：钝化的二维CaNb2O6作为栅介质的背栅MoS2场效应晶体管a. 背栅MoS2/ CaNb2O6/石墨烯FET的示意图。b. 对应的MoS2 FET的OM图像。c. HAADF-STEM图像及对应的元素EDX映射。d. MoS2/ CaNb2O6/石墨烯FET器件的横截面明场（左）和暗场（右）图像。e. 在室温下，Vds = 0.2 V时，背栅MoS2 FET的转移特性曲线，显示出约61 mV/dec的亚阈值摆幅。插图：FET的输出特性曲线。f. MoS2 FET的双向扫描转移特性曲线。g. 在Vds = 1 V时，背栅器件在不同扫描速度下的前向和反向扫描转移曲线。h. 基于二维介电质的FETs的SS和电流开关比性能比较。i. 已报道的二维绝缘FET的滞后特性比较。

基于MoS2/CaNb2O6的晶体管器件展现出超过107的开关比、低至61 mV/dec的亚阈值摆幅以及几乎可以忽略的回滞，证明了CaNb2O6作为二维电子器件中高κ介电层的潜力。

该工作中通过使用TuoTuo Technology 的紫外无掩模光刻机完成了二维CaNb2O6电容器及二维材料晶体管的制备工作。

作者信息：中南大学物理学院博士生范秀莲为文章的第一作者，周喻教授、潘安练教授和李东教授为论文的共同通讯作者。该工作还受到了西安交大周健教授、电子科技大学王曾晖教授、夏娟研究员、浙江工业大学朱艺涵教授等课题组的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-57773-y