港理工发现二维硒化铟薄膜相控制机理，制备三种相厘米级二维薄膜

　　让每个人发挥自己的特长，是课题组的理念之一。郑晓东博士后的特长是利用透射电镜研究材料结构，于是，我就让他找韩伟博士后合作，做一些原位透射电镜的研究，而韩博士继续专注材料的生长和器件的测试。香港理工大学应用物理学系教授赵炯表示，同时，我们还和香港另外几个大学的课题组，以及其他同事们配合测量和计算了很多材料性质。最终，郑博士的工作成果发表在ScienceAdvances上，韩博士的工作则获得NatureNanotechnology的青睐。
　　图赵炯（来源：赵炯）
　　近日，赵炯带领课题组和多个研究组合作，发现了二维硒化铟薄膜的相控制机理，并将其应用在材料合成中，制备出硒化铟三种相的厘米级二维薄膜。
　　图丨二维硒化铟薄膜的相控制机理（来源：NatureNanotechnology）
　　2022年12月12日，相关论文以《相控大面积二维硒化铟与铁电异相结》（PhasecontrollablelargeareatwodimensionalIn2Se3andferroelectricheterophasejunction）为题发表在NatureNanotechnology上〔1〕。
　　图丨相关论文（来源：NatureNanotechnology）
　　香港理工大学应用物理系韩伟博士后、郑晓东博士后和杨科博士后为该论文的共同第一作者。香港理工大学应用物理系赵炯教授、杨明教授，以及香港城市大学化学系李淑惠（ThucHueLy）教授为论文的共同通讯作者。
　　该论文发表后，NatureNano和NatureReviewMaterials这两份杂志，还邀请了领域内的专家和资深编辑，为其撰写了评论，并予以发表。
　　制备出硒化铟三种相的厘米级二维薄膜
　　硒化铟是一种颇具代表性的半导体铁电材料，存在多种不同晶体结构的相。其中，、和相是层状的，层与层之间通过范德华力互相作用。
　　早在二十世纪七十年代，科学家就报道了块体硒化铟晶体的化学和物理性质。
　　2017年，来自材料物理领域的科学家们，从理论上对硒化铟进行了预测，认为其是二维铁电材料，室温下在面外和面内方向同时具有可逆自发极化。这一预测，激发了学术界对二维硒化铟的研究热潮。
　　2018年，世界范围内多个研究组通过实验证实了上述预测，并报道了单层硒化铟也具有铁电性。同时，还揭示了硒化铟具有较高的场效应迁移率和较大的记忆窗口。
　　另外，作为硒化铟的同分异构体，硒化铟是一种二维面内反铁电材料，可能产生巨大的热释电效应。
　　不过，需要说明的是，要想推动二维材料的实际应用，必须首先制备出大面积、高质量的薄膜，而这却是当下该领域需要攻克的关键难题。
　　据介绍，学界自2012年开始研究二维硒化铟。十年以来，还没有人能够成功地制备出大面积相可控的硒化铟二维薄膜。
　　这主要有以下两个方面的原因。
　　第一是晶相不可控。由于晶相具有较低的相转变温度，因此其在硒化铟的合成过程中，是非常难以控制的。
　　第二是制备方法存在局限性。在早期的方法中，前驱体和衬底之间的距离较远，容易导致气源不稳定，进而影响多点成核，从而使制备出的最终产物尺寸较小。
　　因此，为了解决上述问题，该团队进行了不懈努力，最终翻越了三座大山，成功制备出硒化铟三种相的厘米级二维薄膜。
　　翻越三座大山，最终抵达终点
　　该团队面临的第一座大山，是如何制备大面积二维硒化铟薄膜？起初，团队在尝试用化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition，CVD）法，来生长大面积的铟硒比为1：1的硒化铟薄膜（InSe），但该论文的第一作者韩伟经过实施后发现，用CVD实验方案只能得到铟硒比为2：3的硒化铟薄膜。
　　同时，经过拉曼光谱和TEM表征发现，这种CVD方法生长的硒化铟薄膜为相。于是，韩伟经过不断的CVD尝试和总结，获得了连续的、毫米级以上的硒化铟薄膜，并通过透射电镜表征确认其为接近单晶的高质量二维硒化铟薄膜。
　　第二座大山，是如何获得三种相？因为之前原位电镜实验中已经发现，铟硒比为1：1的硒化铟薄膜加热可以变成铟硒比为2：3的’硒化铟薄膜。于是韩伟又把这个方法移植到了CVD中，在前驱体中加入了一定量的铟硒比为1：1的硒化铟原料，结果有时候他得到了相的薄膜，有时则得到和相的混合相。
　　这是十分令人意外的结果。赵炯表示。因为硒化铟一般认为是低温相，所以直接使用高温CVD法，是难以完成合成工作的。之前该团队尝试了很多种方法，却无一例外地全都失败了。那么为什么这次CVD实验却能够得到部分的相？
　　直到他们经过高分辨TEM的实验表征这些混合相样品，然后得益于研究组多年来积累的原位透射电镜的研究经验，他们利用原位TEM力学实验中发现，硒化铟薄膜释放出薄膜中原有的拉应力会相变为硒化铟薄膜。
　　这个TEM的分析结果好像一把钥匙，打开了大面积制备二维相可控硒化铟薄膜的大门。之后，韩伟通过对硒铟的元素比例进行调节，最终完成了厘米级纯相硒化铟薄膜的制备。接着，他们将硒化铟薄膜，转移到柔性衬底或不平整的衬底上，通过释放薄膜应力，合成了大面积硒化铟薄膜。
　　此外，通过转移硒化铟薄膜到金颗粒阵列，以及对不同衬底平整度差异的利用，还首次制备了面内的异质结。
　　图丨大面积二维硒化铟薄膜的相可控合成（来源：NatureNanotechnology）
　　提高器件的性能，是横亘在他们面前的最后一座大山。我们主要测试的是基于硒化铟薄膜的铁电场效应晶体管性能。赵炯说道。
　　图丨二维硒化铟薄膜铁电场效应晶体管的工作机理和性能（来源：NatureNanotechnology）
　　在器件制备和测试的过程中，常常会遇到漏电、样品氧化等问题。因此，该团队进行了多次制备和测试，才摸索出比较好的工艺条件。
　　通过优化器件制备参数条件，我们终于获得了理想的数据。赵炯表示，基于三种相的场效应晶体管器件，均表现出较高的迁移率。其中，硒化铟器件具有较大的记忆窗口和电子迁移率（大于50cmVs），以及较高的存储耐久性和循环稳定性。
　　另外，谈及该研究的后续计划，赵炯还介绍了以下两个方面。
　　首先，继续生长硒化铟薄膜，通过对衬底、载气等因素的调节，实现硒化铟薄膜的直接、大规模合成。
　　其次，通过提高晶体质量、优化电极接触等手段，继续提升二维铁电器件的性能。
　　这项成果是在多个单位二十多人的共同努力下合作完成的。未来，我们课题组将会继续秉承合作共赢与‘112’的理念，创造更多的研究成果。赵炯最后说。
　　参考资料：
　　1。Han，W。，etal。PhasecontrollablelargeareatwodimensionalIn2Se3andferroelectricheterophasejunction。NatureNanotechnology18，5563（2023）。
　　2。Zheng，X，etal。PhaseandpolarizationmodulationintwodimensionalIn2Se3viainsitutransmissionelectronmicroscopy。ScienceAdvances8。42，eabo0773（2022）。