第一作者：程智辉
通讯作者：程智辉，Aaron D. Franklin, Curt A. Richter
通讯单位：美国国家标准与技术研究院，普渡大学，杜克大学
关于平坦，我们知道什么？
在人眼可见的尺度，镜子是平的，餐桌是平的，道路是平的，静谧的湖水也是平的。
那在纳米尺度 (10-9 m) 或是埃米 (10-10 m) 尺度，材料的平坦性又如何知晓呢？其实要了解纳米材料的表面平坦性很简单，可以借助原子力显微镜(AFM) 来测量。真正困难的是如何探测不同纳米材料之间界面的平坦性。
界面的平坦性可能和表面不一致。这相当于在问，静谧湖水下的湖底是否平坦，或者湖底下，地壳和地幔之间界面是否平坦。
为探索纳米界面的平坦性，由美国国家标准与技术研究院领衔的多个院校的研究人员，采用横断面扫描透射电子显微镜观察了多种二维纳米材料界面，包括二维与二维之间，三维与二维之间的界面。
人们通常认为二维材料界面都是很平的。这样的观点主要是基于小范围纳米界面的观测，比如100 纳米或者更小。
此次，研究人员一共观测了长达12微米的纳米界面，比100 纳米提升了两个数量级。通过数字化这些横断面里的纳米界面，作者们将这些界面平坦性精确到了埃米级别。
作者们特别研究了器件制作过程对二维界面平坦性的影响，比如常用的堆叠(stacking)，原子层沉积(ALD)，金属蒸发沉积(metal evaporation) 等步骤。
堆叠氮化硼
堆叠在近些年常被用到，尤其是在研究基于不同二维材料的异质结和魔角二维材料中。
例如，在研究基于过渡金属硫属化物 (TMD) 的魔角结构中，由于TMD的侧接触 (side contact) 电阻远超过表接触 (top contact) 电阻，所以，通常会将氮化硼堆叠到已经制作好的表电极上，而此时所产生的二维界面不平坦的现象通常被忽视。
作者们首先研究了，把25纳米厚的氮化硼堆叠到16 纳米厚的电极和两层硫化钼上。可以从图1c中看出，这种堆叠在电极附近形成了空腔。
图1. 堆叠氮化硼到接触电极和二维材料上。
接触电极右边的两层硫化钼也被推挤了10 纳米高。在稍微远离电极的地方，氮化硼和硫化钼之间还产生了2-3 纳米的空隙。有的空隙长度甚至超过500纳米。这些结果与此前人们的预期大相径庭。
这些结果表明，堆叠二维材料到本身就不平坦的表面上，多重界面不平坦性将会显现。
原子层沉积(ALD)
如果未来芯片中的晶体管中要用到二维半导体材料，原子层沉积会是一个无法绕开的制造步骤。然而，人们对于这个步骤如何影响二维界面的平坦性还一无所知。
从图2中可以观察到，原子层沉积形成的上层氧化铝与硫化钼的界面平坦性远差于图1d中氮化硼和硫化钼的界面。毕竟前者是三维与二维界面，而后者是二维与二维界面。
这种沟道与ALD所形成的高介电常数氧化物之间的低平坦纳米界面如何影响器件性能还有待进一步探索。
图2. 原子层沉积对二维界面平坦性的影响。
金属蒸发沉积 (metal evaporation)
金属蒸发沉积应该是应用最广泛的纳米器件制作步骤。将二维纳米材料应用于晶体管，感应元件，以及光电元件都需要用到金属作为电极。
从图3中可以看出，作者们研究了不同电极接触长度，从38 纳米到200纳米，以及不同的三维与二维界面，包括镍与两层硫化钼，金与氮化硼，铬与氮化硼。
例如图3a，作者们发现镍与硫化钼的界面会形成纳米空腔，而且跟接触长度无关。而这些空腔的高度会因为有堆叠氮化硼的步骤而减小。这个发现也刷新了此前对于金属与二维材料界面总是平坦的认知。
图3. 不同三维与二维纳米界面的表征与量化。
还可以发现，金与氮化硼，铬与氮化硼有更平坦的纳米界面。而且，铬与氮化硼之间2纳米的空隙应该是氧化铬。这表明，如果用铬来做接触电极，真正接触纳米材料的，很有可能是氧化铬而不是纯金属铬。
纳米界面的平坦性对器件性能的影响
最后，作者们研究了同一个硫化钼晶体管，对比堆叠氮化硼之前和之后，其性能的变化。他们发现，堆叠后，器件里的纳米界面变得不平坦了，然而，器件的性能却有所提高：跨导增长了40%，饱和电流提高了14%。
这种性能提升可能与两个方面有关。一方面，氮化硼保护了沟道中的硫化钼。另一方面，堆叠氮化硼的过程使接触电极产生了应变 (strain)。
总结与展望
这项研究
第一，开拓了在埃米精度上研究二维纳米界面的平坦性
第二，扩展了对二维纳米界面的表征和量化长度，提升了两个数量级
第三，阐明了不同器件制作过程对纳米界面平坦性的影响
第四，展示了二维纳米界面的平坦性对器件性能的影响
从基础研究角度，这些进展将会促进纳米材料和器件等相关领域重视和研究纳米界面的平坦性。以及促进探索纳米界面平坦性如何影响电学，光学，磁学，低温，拓扑，以及纳流控学等多学科的材料性质和功能。该研究还将会启发更多方法在埃米尺度上表征和量化纳米界面。
在应用方面，该研究将会帮助器件工程师们更好地分析纳米界面，促进制造更高性能的纳米器件和接触电极，并探索更丰富的应变分析和界面工程。
参考文献
Zhihui Cheng, et al. Are 2D Interfaces Really Flat? ACS Nano 2022.
DOI：10.1021/acsnano.1c11493
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11493
