2024, ACS Nano——從缺陷到性能：基于低頻噪聲信號的六方氮化硼缺陷表征新方法

研究背景和主要內(nèi)容

單晶六方氮化硼 (hBN) 在許多涉及二維 (2D) 材料的研究中發(fā)揮著重要作用。絕緣 hBN 的一個顯著應(yīng)用是通過將 2D 材料封裝在 hBN 薄片之間來構(gòu)建范德華 (vdW) 異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，hBN的高純度和優(yōu)異的晶體質(zhì)量使其成為二維材料的理想絕緣體，從而顯著提高載流子傳輸性能。然而，盡管六方氮化硼層密度較低，但其原生無序性已被認為是進一步增強石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子傳輸?shù)南拗埔蛩匾约?D晶體管的性能。另一方面，利用 hBN 中的缺陷已被證明有利于實現(xiàn)隨機數(shù)生成器等器件概念，和單光子發(fā)射器（SPE）。因此，了解 hBN 中缺陷的性質(zhì)，包括其充電和放電的動態(tài)，對于推進二維電子學(xué)和量子技術(shù)具有重要意義。

使用陰極發(fā)光和元素分析對 hBN 晶體進行早期材料表征，揭示了空位和碳、氧等雜質(zhì)的存在。通過使用電子顯微鏡對從塊體樣品中剝離的單層 hBN 進行直接成像，還揭示了 hBN 中碳和氧的結(jié)合。通過使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 進行直接可視化，可以進一步了解 hBN 內(nèi)各個原生缺陷的性質(zhì)，揭示其帶隙內(nèi)三種不同的帶電缺陷狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)與 Hayee 等人最近的一項研究一致，它將 hBN SPE 中觀察到的不同發(fā)射光譜與四種缺陷候選聯(lián)系起來。為了闡明 hBN 中局部原生缺陷的身份，第一性原理計算通過提供有關(guān)其形成能和相關(guān)缺陷能級的信息發(fā)揮了重要作用。然而，由于可能存在的缺陷種類繁多，且缺乏直接的實驗證據(jù)，hBN 中缺陷的身份和行為仍然存在不確定性。

表征電子器件配置中缺陷的充電和放電動態(tài)是了解其性質(zhì)的有效方法。一種常用的方法是檢查場效應(yīng)晶體管 (FET) 中隨機電報信號 (RTS) 噪聲的偏置和溫度依賴性，詳細了解缺陷的能量和空間分布。這種方法已擴展到研究具有傳統(tǒng)無序電介質(zhì)（如 SiO₂和 Al₂O_3）的 2D FET。由于傳統(tǒng)電介質(zhì)中缺陷豐富多樣，檢測 RTS 通常需要使用小型 FET（亞微米尺寸），以盡量減少通道區(qū)域中的缺陷數(shù)量。相比之下，通過 hBN 封裝獲得的全范德華 2D 晶體管可提供低無序電子系統(tǒng)。雖然它們在傳輸研究中的實用性已得到證實，但它們在分析 hBN 缺陷方面的潛力仍未被探索，而這正是本研究的主要目標。    

在本研究中，我們利用 hBN 封裝和石墨烯接觸的全范德華 MoS₂ FET 作為低頻噪聲 (LFN) 研究的實驗平臺。該器件中電子系統(tǒng)的低無序性使得我們能夠在低溫下觀察到 100 μm²大器件尺寸中電流的隨機離散電平切換。對柵極偏壓和溫度依賴性數(shù)據(jù)的分析表明，RTS 源自位于 hBN 內(nèi)部 MoS₂ /hBN 界面附近的單個能態(tài)。借助多空間約束搜索密度函數(shù)理論 (MS-DFT) 計算，我們將取代硼位點的碳原子（C_B）指定為實驗RTS觀測的可能缺陷來源。

圖 1. 全范德華 MoS₂ FET。(a) hBN 封裝石墨烯接觸 MoS₂ FET示意圖。左側(cè)面板示意性地顯示了范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的各個組成部分。中間面板顯示最終的范德華 FET。右側(cè)面板中的放大圖顯示了范德華 MoS₂器件的接觸和溝道區(qū)域。(b) 溝道區(qū)域的橫截面 TEM 圖像，顯示了 hBN 封裝的 MoS₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)。(c) 邊緣接觸區(qū)域的橫截面 TEM 圖像，顯示了封裝的 hBN 薄片、單層石墨烯接觸和幾層 MoS₂。 (d) 全范德華 MoS₂ FET 的轉(zhuǎn)移特性和 (e) 輸出特性。輸出特性以 5 V 的 V_g增量進行測量。(f) 通過標準鎖定測量獲得的四點遷移率與溫度的關(guān)系。

圖 2. 低頻噪聲頻譜。(a) 噪聲測量裝置示意圖。(b) I_d -V_g特性曲線說明在 V_g應(yīng)力作用下V_th發(fā)生負偏移，并在消除 V_g應(yīng)力后恢復(fù)。(c) 不同 V_g和溫度下的 PSD 示例。在亞閾值 V_g和低溫下，PSD 遵循1/f ²趨勢（綠色曲線）。在室溫或亞閾值范圍之外，PSD 遵循1/f趨勢（深藍色和淺藍色曲線）。由 (d) 單個缺陷種類和 (e) 多個缺陷種類組成的電介質(zhì)中電子捕獲的示意圖。(f) 1/f頻譜（紅色虛線）可以表示為具有不同轉(zhuǎn)折頻率的多個1/f ²頻譜（實線）的總和。為了便于說明，每個1/f ²頻譜都用顏色編碼，以表示面板 (e) 中每種不同缺陷種類的影響。

圖 3. 全范德華場效應(yīng)晶體管 (FET) 中的隨機電報信號。(a)-(d)在 50 K 時，在 V_g接近平帶的有限范圍內(nèi)測量I_d的離散電平切換。(e)-(h) 在 V_g固定但溫度不同時測量I _d 的離散電平切換。這里，我們繪制了離散電平之間的差異 (ΔI _d )。

圖 4. 不同溫度和 V_g偏置下的時間常數(shù)：從觀察到的 RTS 數(shù)據(jù)中提取的不同溫度和柵極偏置條件下的時間常數(shù)。平均特征時間常數(shù)用于分析導(dǎo)致 RTS 的缺陷的能量和空間分布。

圖 5. 缺陷的能量和空間分布。(a)能帶圖說明了 V_g對陷阱能級 E _T移動的影響。(b)計算出的相對于 E_F 的陷阱能級和 (c) 相應(yīng)的陷阱占有率在不同溫度下隨 V_g 的變化。(d) CCD 示意性地說明了不同溫度下的缺陷動態(tài)。(e)通過擬合高溫狀態(tài) (>150 K) 下的數(shù)據(jù)提取的陷阱活化能。(f)分布圖顯示了根據(jù)不同溫度下的測量估計的缺陷空間位置。負號表示缺陷位置在 hBN 內(nèi)部有幾納米。

圖 6. 缺陷 hBN/MoS₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)柵極響應(yīng)的 MS-DFT 模擬。 (a) 基于 Au/hBN/MoS₂的 2D FET 結(jié)構(gòu)計算模型（左圖）。C_B或 V_N缺陷（右圖）被引入到第二界面 hBN 層中。 (b) 平衡（V_g = 0 V）能帶結(jié)構(gòu)投影到具有 C_B（左）和 V _N缺陷（右）的MoS₂和 hBN上。紅色和藍色圓圈分別表示 C_B和 V_N缺陷的兩種自旋極化狀態(tài)。圓圈的大小量化了軌道貢獻的強度。 （c） T = 250 K 時 V_g = 0 V（黑線）和 ?16 V（紅線）計算的平面平均靜電勢能。 （d） T = 50、100、200 和 250 K時獲得的 C _B的占有（左圖）和能量位置（右圖）隨 V _g的變化。

圖 7. 確定 C_B缺陷是 RTS 的原子起源。在零電荷（黑色曲線）和 +1 e電荷（紅色曲線）約束條件下，在T = 250 K下計算的 (a) C _B和 (b) V _N缺陷的 CCD。空心圓表示從 MS-DFT 計算中明確獲得的數(shù)據(jù)點，實線為二階多項式擬合。計算出的（黑線）時間常數(shù) τ _i值是通過使用 NMP 模型擬合 (c) C _B和 (d) V _N缺陷的參數(shù)獲得的，以T = 50 和 255 K 下的實驗 τ _i值。垂直灰色虛線表示溫度相關(guān)狀態(tài)與溫度無關(guān)狀態(tài)之間的過渡點，對應(yīng)于T = 50 K τ _i值的 3% 偏差點。

結(jié)論

這里建立的結(jié)果證明了 hBN 封裝和石墨烯接觸的低無序 MoS₂ FET 在探測 hBN 中的缺陷動力學(xué)方面的實用性。盡管我們的 FET 面積很大（100 μm²），但我們的 LFN 測量結(jié)果顯示，在低溫下晶體管電流中發(fā)生了離散級切換，表明與 hBN 內(nèi)單個缺陷物種相關(guān)的缺陷級充電和放電。實驗數(shù)據(jù)揭示了缺陷的正電荷性質(zhì)及其能量和空間分布。結(jié)合 LFN 光譜實驗數(shù)據(jù)和理論 MS-DFT 分析，我們將取代單晶 hBN 中硼位點的碳原子指定為最可能的缺陷候選者。    

作為未來的研究方向，可以使用 p 型通道材料創(chuàng)建類似的器件結(jié)構(gòu)，以探測靠近 hBN 價帶邊緣的受體型缺陷。此外，使用足夠大的 hBN 薄片進行電容測量將允許在整個帶隙中表征缺陷，類似于過去對 MoS₂進行的研究。此外，輻射 hBN 以產(chǎn)生已知的缺陷類型可能有助于揭示其 LFN 行為并確定 RTS 的原子起源。本研究對 hBN 缺陷的深入理解將有利于進一步提高材料質(zhì)量。我們還希望這些發(fā)現(xiàn)可以為未來電子和量子設(shè)備應(yīng)用的缺陷工程研究提供參考。