独通！他，博毕8年任福建物构所研究员/课题组长！新发Nature子刊！

更新时间：2025-01-26 22:56  浏览量：4

二维（2D）材料被认为是未来电子设备的理想候选材料。然而，能够与2D半导体集成的高介电常数（κ）材料仍然很少。

2025年1月23日，中国科学院福建物质结构研究所刘伟研究员在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Controllable synthesis of nonlayered high-κ Mn3O4 single-crystal thin films for 2D electronics》的研究论文，Jiashuai Yuan为论文第一作者，刘伟为论文通讯作者。

刘伟，中国科学院福建物质结构研究所研究员。2001年和2004年本硕毕业于青岛科技大学，2008年在中科院化学研究所取得博士学位。2008-2010年，从事博士后研究工作。2010-2016年先后以博士后与研究科学家身份从事科研工作。2016年到中科院福建物质结构研究所工作，任研究员、课题组长。

刘伟的主要研究方向为（1）碳纳米管、石墨烯与二维半导体薄膜的合成与性能调控；（2）应用于大规模集成电路的石墨烯/碳纳米管互联线器件；（3）高性能碳纳米管/二维半导体薄膜晶体管；（4）基于二维半导体异质结的电子隧穿器件；（5）用于合成人工燃料的高性能光电转换器件。

在本文中，作者报道了一种水合物辅助减薄化学气相沉积（CVD）技术，用于生长氧化锰（Mn3O4）单晶纳米片，该技术通过最小化基底晶格失配和控制生长动力学的策略来实现。

该材料的介电常数（κ）高达135，等效氧化物厚度（EOT）低至0.8 nm，击穿场强（Ebd）超过10 MV/cm。

通过机械堆叠方法，作者将MoS2场效应晶体管（FET）与Mn3O4薄膜集成在低电压（8的Ion/Ioff比和低至84 mV/dec的亚阈值摆幅（SS）。

MoS2 FET表现出几乎为零的磁滞(-1) 和较低的漏极感应势垒降低 (~20 mV/V)。

该工作进一步拓展了2D高介电常数材料家族，为非层状材料单晶薄膜的外延生长提供了可行的探索。

图1：超薄Mn3O4单晶纳米片的结构与表征

图2：超薄Mn3O4纳米片的阵列生长与表征

图3：超薄Mn3O4的介电性能测试

图4：基于Mn3O4的MoS2场效应晶体管性能

图5：Mn3O4封装对MoS2 FET性能的影响

综上，作者报道了一种通过水合物辅助化学气相沉积（CVD）技术制备的非层状高介电常数（κ）Mn3O4单晶薄膜，并将其与2D半导体材料（如MoS2）集成，用于高性能2D电子器件的研究。

本研究实现了Mn3O4单晶薄膜的可控生长，其介电常数高达135，等效氧化物厚度（EOT）低至0.8 nm，击穿场强超过10 MV/cm。

这种材料的优异性能使其成为2D场效应晶体管（FET）的理想栅极介质，实现了低电压操作、高达108的开关电流比以及低漏极感应势垒降低（DIBL）。

此外，Mn3O4薄膜还展现出优异的空气稳定性和与MoS2的高质量范德华接触。

该研究不仅扩展了2D高κ介电材料家族，还为非层状单晶薄膜的外延生长提供了新的方法。
这种高性能的Mn3O4介电材料有望推动2D电子器件的进一步发展，特别是在高性能、低功耗的纳米电子器件领域，如下一代集成电路、柔性电子设备和高性能传感器中具有广阔的应用前景。

其优异的介电性能和与2D半导体的良好兼容性，为实现更小尺寸、更高性能的电子器件提供了新的材料选择。

Yuan, J., Jian, C., Shang, Z. et al. Controllable synthesis of nonlayered high-κ Mn3O4 single-crystal thin films for 2D electronics. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56386-9.