《Nano Letters》刊发北航材料学院在熔盐辅助生长原子级薄高κ Bi₂SeO₅单晶介质研究新进展

以下文章来源先进半导体器件，作者小芯

1. 熔盐辅助生长实现高质量Bi₂SeO₅：将Bi₂SeO₅粉末与助熔剂（KCl/KI）及微量SeO₂夹于云母片间，在620–630°C加热3分钟，获得厚度可低至3.9 nm（3层）、横向尺寸达0.5 mm的高质量单晶纳米片。SeO₂的关键作用是补充硒源、抑制空位并调节熔体性质。

2. 一步异质原子掺杂调控介电性能：通过更换助熔剂（NaCl/KCl或KCl/KI），在生长过程中一步实现Na或I掺杂，获得BSO-Na（κ=8–12.5）和BSO-I（κ最高22.15）两种衍生物。XPS显示掺杂改变元素结合能，证实电荷态调控。

3. 优异介电性能：Bi₂SeO₅的κ≈15，击穿场强随厚度减小而增大，4.47 nm时达10 MV/cm。BSO-I因I⁻的大离子半径和高极化率，κ提升至22.15；BSO-Na因缺陷偶极作用增强击穿强度（最高16 MV/cm）。

4. 高性能MoS₂ FET：以Bi₂SeO₅为顶栅或背栅介质的MoS₂ FET均实现有效栅控。背栅器件开关比达6.3×10⁷，亚阈值摆幅62.7 mV/dec，迁移率34 cm²/V·s，性能优于多数已报道高κ介质。

材料生长：将Bi₂SeO₅粉末与助熔剂（KCl/KI混合物）及微量SeO₂夹于云母片间，在管式炉中Ar气氛下加热至620–630°C（Bi₂SeO₅）、720–730°C（BSO-Na，助熔剂NaCl/KCl）或640–650°C（BSO-I，助熔剂KCl/KI），保温1–3分钟，自然冷却。

样品转移：旋涂PMMA，加热软化后于去离子水中剥离，转移至目标衬底，丙酮去除PMMA。

结构与性能表征：AFM测厚度和形貌，TEM/SAED分析晶体结构，XPS分析元素价态，UV-vis测光学性质。MIM电容器（Ti/Au-Bi₂SeO₅-Ti/Au）测电容-频率和电容-电压曲线，C-AFM测击穿场强。

器件制备与测试：双栅MoS₂ FET：CVD生长单层MoS₂湿法转移至SiO₂/Si，干法转移Bi₂SeO₅为顶栅，Ti/Au电极热蒸发。背栅MoS₂ FET：先转移Bi₂SeO₅至预沉积Au电极阵列，再转移机械剥离MoS₂，电子束光刻定义源漏，200°C退火1 h后真空测试。

摘要图。

图 1 Bi₂SeO₅纳米片的合成与表征

(a) 层状 Bi₂SeO₅的晶体结构。(b) Bi₂SeO₅纳米片的通量辅助生长（FAG）过程示意图。(c) 刚生长在云母衬底上的 Bi₂SeO₅典型光学显微镜图像。(d) 图 1c 中所示 Bi₂SeO₅纳米片的原子力显微镜（AFM）图像及高度剖面图。(e) 不同温度下合成的 Bi₂SeO₅的厚度与横向尺寸分布。(f) 铜网支撑的 Bi₂SeO₅低倍透射电子显微镜（TEM）图像。(g) Bi₂SeO₅的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。插图：对应的快速傅里叶变换（FFT）图案。(h) Bi₂SeO₅的元素面分布图及对应的能量色散 X 射线能谱（EDS）。分别标注了 Bi、Se、O 元素的特征峰。标尺为 500 nm。

图 2 Bi₂SeO₅、Bi₂Se₁₋ₓO₅₋ᵧ、BSO-Na 及 BSO-I 纳米片的合成与表征

(a) Bi₂SeO₅、Bi₂Se₁₋ₓO₅₋ᵧ、BSO-Na 与 BSO-I 的生长过程示意图。(b) BSO-Na（上图）和 BSO-I（下图）的光学显微镜（OM）照片。(c–e) 在云母衬底上生长的 BSO-Na 的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像 (c)、选区电子衍射（SAED）图像 (d) 及元素面分布图 (e)。(f–h) BSO-I 的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像 (f)、选区电子衍射（SAED）图像 (g) 及元素面分布图 (h)。(i) 本工作通量辅助生长（FAG）法与化学气相沉积（CVD）、化学气相输运（CVT）、热氧化、紫外（UV）氧化、机械剥离（ME）、受限化学气相及离子交换液相剥离法制备的代表性高 κ 介电材料的横向尺寸随生长 / 处理时间的变化关系。(j) Bi₂SeO₅、BSO-I、BSO-Na 及 Bi₂Se₁₋ₓO₅₋ᵧ 中 Bi 4f₇/₂ 与 Se 3d₅/₂ 结合能对比。(k) BSO-Na 的 Na 1s X 射线光电子能谱（上图）与 BSO-I 的 I 3d X 射线光电子能谱（下图）。

图 3 作为介电材料的 Bi₂SeO₅、BSO‑Na 和 BSO‑I 的表征

(a) 厚度约 28.7 nm 的 Bi₂SeO₅纳米片的电容密度 (C)随频率 (F)变化曲线。(b) Bi₂SeO₅纳米片在不同频率下的偏压相关电容测试曲线。(c) 由 10 kHz 下 C−F 曲线提取的 Bi₂SeO₅纳米片介电常数随厚度的变化。灰色虚线为辅助观察曲线。误差棒表示 5 次测量平均值与最大、最小值之差。(d) 采用导电原子力显微镜（C‑AFM）测得的 Bi₂SeO₅样品边缘区域的AFM 高度图（上）与电流图（下）。(e) Bi₂SeO₅纳米片厚度相关的电流‑电压 (I−V) 曲线。(f) 击穿电压 (VBD)和击穿场强 (EBD)随不同厚度的变化关系。(g) Bi₂Se₁₋ₓO₅₋ᵧ、BSO‑Na 和 BSO‑I 的介电常数统计数据与对比。(h–i) BSO‑Na (h) 和 BSO‑I (i) 的 I−V 曲线。

图 4 采用通量辅助生长（FAG）Bi₂SeO₅作为栅介质的高性能二维晶体管

(a) 以 Bi₂SeO₅为顶栅、SiO₂为背栅的双栅 MoS₂场效应晶体管（FET）结构示意图。插图：制备完成的单层 MoS₂场效应晶体管光学显微镜图像，标尺为 10 μm。(b) 器件在不同背栅电压（Vbg）下的转移特性曲线（Ids–Vtg），漏源电压 Vds 为 1 V。(c) 顶栅电压在−2～1 V 范围内扫描时，双栅 MoS₂/Bi₂SeO₅场效应晶体管的输出特性曲线。(d) 背栅型 MoS₂/Au 场效应晶体管结构示意图及对应的光学显微镜图像。漏极和源极由黄色虚线标出，多层 MoS₂薄片由白色虚线标出。(e) 器件的截面暗场扫描透射电子显微镜（DF-STEM）图像（左）与高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像（右）。(f) 截面暗场扫描透射电子显微镜图像及对应的 Pt、Mo、Bi、Se、O 元素 EDS 面分布。(g) 室温下、Vds 分别为 0.02、0.04、0.06、0.08、0.1 V 时测得的背栅 MoS₂/Bi₂SeO₅/Au 场效应晶体管转移特性曲线。插图：背栅电压在−6～6 V 范围内扫描时的输出特性曲线。(h) 本工作 MoS₂场效应晶体管与近年来文献中代表性高 κ 介质器件的性能对比。

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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c05965

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