（半导体异质结的复杂而可扩展的阵列——未来电子产品的基础材料——通过使用硫原子的脉冲激光沉积，来实现转换光刻曝光区域到二硫化钼，而在二硒化钼的二维单层晶体内形成。通过拉曼分光映射（底部）显示，硫原子（绿色）在光刻曝光区域（顶部）替代了硒原子（红色）。图片：美国橡树岭国家实验室，美国能源部）

半导体，金属和绝缘体必须实现整合，才能用于制造智能手机，电脑和其他芯片功能的电子设备的晶体管。今天的晶体管非常微小，只有10纳米宽和由3-D晶体形成。

但是，一个颠覆性的新技术织布机，使用只有1纳米厚的2-D晶体实现了超薄电子产品。全世界的科学家正在研究，由普通多层材料制成的2-D晶体，来在二维尺度约束电子传输。研究人员先前发现了方法，来用光刻图案单层石墨烯材料，使之变成带状“线”，并以氮化硼的类似层提供的绝缘来结束。但是到现在为止，他们缺乏合成和加工方法，来光刻两个不同的半导体的单一纳米厚层间形成晶体管，和超薄电子设备的基础材料。

现在，来自美国能源部（DOE）的橡树岭国家实验室的研究人员，首次结合新型合成方法与商业的电子束光刻技术，在单一纳米厚的半导体晶体上，产生以任意模式的半导体阵列。该过程依赖于把一种现有的单层晶体的图案区域转移到另一个上面。研究人员首先生长基质单层纳米级别厚度的二硒化钼晶体层，然后使用标准光刻技术沉积保护氧化硅层。然后使用硫原子激光产生的光束轰击晶体的曝光区域。在晶体中，硫原子代替硒原子形成的二硫化钼，并具有几乎相同的晶体结构。这两个半导体晶体形成的很好的结，是电子产品所需的基础材料。《Nature Communications》杂志报道了这项成果。

“我们可以做任何一种我们想要的图案，”MasoudMahjouri-Samani说，他和David Geohegan共同领导这项研究。Geohegan是橡树岭国家实验室的纳米相材料科学中心的纳米材料合成与功能组件团队的带头人，是美国能源部着力于增长机制和纳米材料的可控合成的基础科学项目的首席研究员。数以百万计的与众多模式2-D基础材料可以同时被制造出来，Mahjouri-Samani补充道。未来，有可能在片材的顶部和底部产生不同的模式。可以通过分层张不同的图案来引入更加复杂的情况。

Geohegan补充说道，“可扩展的而简易的光刻图案流程的开发，和简易形式的二维晶体形成横向半导体异质结，满足了对于基础材料的迫切需要，来实现下一代超薄器件应用，从柔性电子消费品到太阳能电池。”

调整带隙

“我们之所以选择脉冲，因为数字控制脉冲可以让你获得到材料表面的通量，”Mahjouri-Samani说。 “你基本上可以做任何类型的中间合金。例如只需用硫替换硒的20％，或30％，或50％。Geohegan补充道，”脉冲激光沉积也调整硫原子的动能，让你去探索更大范围的处理条件“。

通过控制晶体内硫与硒的比率是重要的，研究人员可以调整半导体的带隙，一个属性，它确定电子和光学性质。为了制造光电器件，如电致发光显示器，具有不同的带隙的芯片加工厂集成半导体。例如，二硫化钼的能带大于二硒化钼的能带。对含有两种半导体的晶体施加电压，可以导致电子和“空穴”（当电子腾出位置而产生的正电荷）从二硫化钼运动进入二硒化钼，两者复合后在二硒化钼的带隙处发射光。出于这个原因，改变单层材料系统的带隙，可以产生带有许多不同颜色的光，同时可以制作成其它应用，如晶体管和传感器，Mahjouri-Samani说。

接下来，研究人员将看看他们的脉冲激光汽化和转换方法，是否在除硫和硒以外的其他原子上也有效。 “我们正试图在一个2-D平面里制造更复杂的系统——集成更多的成分，放入不同的基础材料——因为最终一个完整的工作设备需要不同的半导体，金属和绝缘体，”Mahjouri-样似说。

要了解将一种纳米厚的晶体转化为另一种的过程中，研究人员利用橡树岭国家实验室功能强大的电子显微镜的功能，特别是原子分辨率的Z-对比扫描透射电子显微镜，这是在橡树岭国家实验室开发的一项技术，现在可以提供给世界各地的科学家来使用纳米材料科学中心。采用这种技术，电子显微镜科学家Andrew Lupini和访问科学家Leonardo Basile，获取了原子纳米厚的二硒化钼和二硫化钼晶体六角形网络结构的图像。

“我们可以通过图像中的强度直接区分出硫和硒原子，”Lupini说。 “这些图像和电子能量损失谱，使得团队可以在原子级别表征半导体异质结。”

新材料在线编译整理——翻译：Gary      校正：摩天轮