基于原位电子显微技术研究二维半导体空位缺陷的形成和修复机理

The two-dimensional (2D) layered semiconductors can effectively alleviate the serious short channel effect caused by the size reduction, and is of great significance for the miniaturization of electronic devices. However, because 2D materials contain much less atoms than bulk materials, the effects of defects are more significant, making it an important factor limiting the performance of devices based on 2D semiconductors, which causes the measured performance of the device to be far from the theoretical value. Therefore, it is crucial to precisely control the defects of 2D semiconductors. Here, based on in-situ electron microscopy, we propose to investigate the structural evolution of vacancy defects on 2D layered semiconductors under electron beam irradiation through an aberration corrected transmission electron microscopy (TEM), and establish the correlation between irradiation parameters and the locations, types and densities of vacancy defects. In addition, based on in-situ heating stage, we will carry out systematic research on the repair of different types of vacancy defects under the combination of thermal field and electron beam irradiation. Theoretical calculations will also be employed to build a physical model of electron irradiation, which helps to reveal the formation and repair mechanism of vacancy defects from the atomic scale. This proposal will play an important role in realizing the precise regulation of defects on 2D semiconductors, thereby improving the performance of devices based on them and promoting the miniaturization of the semiconductor industry.

二维层状半导体材料能有效缓解尺寸缩小导致的严重的短沟道效应，对电子器件小型化发展具有重要意义。然而，由于二维材料与传统块状材料相比内部原子数量有限，缺陷的影响更为显著，使其成为制约基于二维半导体制备的器件性能的重要因素，导致目前实际测量的器件性能与理论值相距甚远。因此，如何精确调控二维半导体上的缺陷至关重要。本项目基于原位电子显微技术，以二维层状半导体材料为研究对象，利用球差校正透射电镜中的电子束辐照，观察不同辐照条件下空位缺陷的结构演变规律，建立起辐照参数与空位缺陷位置、类型和密度的关联；并辅助以原位加热样品台，开展热场作用下电子束辐照对不同类型空位缺陷修复的系统研究；结合理论计算建立辐照过程的物理模型，从原子层面揭示空位缺陷的形成和修复机理。上述研究将为实现二维半导体上缺陷的精确调控奠定基础，从而提升基于二维半导体制备的器件的性能，推动半导体行业的小型化发展。

二维层状半导体材料对电子器件小型化发展具有重要意义。然而，由于二维材料与传统块状材料相比内部原子数量有限，缺陷的影响更为显著，使其成为制约基于二维半导体制备的器件性能的重要因素。因此，如何精确调控二维半导体上的缺陷至关重要。本项目以二维层状半导体材料为研究对象，基于原位电子显微技术，并结合第一性原理计算，对二维层状材料上缺陷的调控进行了详尽的研究。. 本项目利用球差校正透射电镜中的电子束辐照，分析不同束流密度和辐照时间对空位缺陷的影响，结构演变规律，建立起辐照参数与空位缺陷类型和尺寸的关联；同时对碲化铋上大空位缺陷（纳米孔）的边缘结构在电子束辐照下的演变过程进行了研究，分析了不同边缘的原子结构特点以及电子特性，总结了不同边缘结构在电子束辐照下的演变规律；并实现了二维半导体上不同类型空位缺陷，包括单空位、双空位以及多空位的精确可控修复；总结了电子束辐照作用下不同类型空位缺陷的修复机制，建立普适性模型，为其他二维半导体上空位缺陷的可控修复提供指导。. 通过本项目的实施，为实现二维半导体上缺陷的精确调控奠定基础，为未来二维材料的原子尺度按需构筑提供了一种新思路，对实现基于二维材料的高可靠性器件的制造奠定了到一定的理论和实践基础。