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利用二維材料的獨特結構，可以賦予晶體管等電子器件高面積效率和富有創造性的奇特功能，保證基于其的電子器件尺寸持續收縮。然而，基于二維材料的微納電子器件的性能一直被二維材料與三維介電材料之間的界面所限制。由此，為了提高二維微納電子器件的性能，尋找研究與二維材料兼容的介電薄膜十分重要。

為了突破摩爾定律的瓶頸，研究者們將二維材料作為溝道層引入到場效應晶體管中。二維材料半導體材料如硫化鉬具有原子級別的厚度、表面呈惰性無懸掛鍵且高載流子濃度和遷移率等特性。由此理論上，該類材料可以保證在不降低器件性能的條件下，縮小場效應晶體管的尺寸。然而，在微納電子器件中引入二維材料是一項具有挑戰性的任務，因為不僅要證明引入二維材料后的器件表現出更高的性能優勢，而且還需要克服制備二維材料的挑戰和將二維材料集成到硅基底器件種的負面效應，比如閃爍噪聲、滯后、由偏置-溫度不穩定性引起的長期漂移、低遷移率和亞閾值波動等。

近日，Mario Lanza教授團隊在Applied Physics Reviews上發表名為“Calcium fluoride as high-k dielectric for 2D electronics”的綜述，并被選為編輯推薦文章。蘇州大學碩士生文超為論文第一作者，阿卜杜拉國王科技大學Mario Lanza教授為通訊作者。該文章從材料合成方法、電學性質、現階段應用三個方面，系統地研究了氟化鈣薄膜作為二維微納電子器件中的介電材料的可行性，并對未來研究氟化鈣薄膜面對的挑戰提出了可能的解決方案。

在文中，作者首先回顧了氟化鈣介電薄膜的材料合成現狀，對比了多種方法（原子層沉積、化學氣相沉積、熱蒸發和分子束外延）合成的氟化鈣薄膜的質量，總結得出分子束外延法是現階段生長氟化鈣薄膜的最優方法。使用該方法在硅（111）基底上生長的氟化鈣薄膜結晶度高、無缺陷簇、表面較光滑且與基底之間缺陷密度低。

同時，氟化鈣薄膜(111)晶面無懸掛鍵且呈化學惰性；通過反射高能電子衍射可原位測得分子束外延法生長的氟化鈣(111)表面可與二維材料之間良好的界面。然而，分子束外延系統昂貴、操作相對復雜，而且生長氟化鈣薄膜的速率低（1.3 nm/min）。工業界普遍使用的合成方法（化學氣相沉積、原子層沉積、熱蒸發）生長的氟化鈣薄膜質量在結晶度和懸掛鍵密度方面劣于分子束外延法，但這些方法較低的成本可能使得工業界進一步合成和優化氟化鈣介電薄膜。此外，不同的電子器件需要不同的缺陷濃度，使用這些方法合成的氟化鈣薄膜可能可用于其他類型的微納電子器件。

圖1. （a）在高溫下分子束外延法生長的氟化鈣薄膜形貌圖；（b）在低溫（250℃）下分子束外延法生長的氟化鈣薄膜形貌圖；（c）在300K下分子束外延法在銅基上生長的氟化鈣薄膜；（d）化學氣相沉積法生長的氟化鈣薄膜；（e）高溫下熱蒸發法生長的氟化鈣薄膜。

其次，作者從理論計算和實驗測量兩個方面討論了氟化鈣薄膜的電學性質，包括能帶隙、介電常數、介電強度等。首先作者總結了文獻中各參數的數值，討論了獲得這些參數的測量方法的可靠性，并將氟化鈣的電學參數與其他用作微納電子器件的介電質的相關參數進行了比較。通過比較得出，氟化鈣是一種高帶隙、高介電常數、高介電強度和能有效阻止漏電流的理想介電材料。

（a）使用導電原子力顯微鏡測量氟化鈣薄膜的納米級電學性質的示意圖。（b-d）四種介電薄膜不同位置測得的伏安特性曲線。

然后，作者討論了氟化鈣薄膜在晶體場效應管、有機薄膜晶體管、光感應器、二極管等微納電子器件中的應用。由于氟化鈣薄膜優異的電學性能和合成方法的可擴展性，其在不同的固態電子器件中顯示出優異的集成潛力。同時，在硅（111）基底上分子束外延法生長的氟化鈣薄膜（111）晶面與二維材料表面之間形成的高質量類范德華界面可以降低電子散射、克服負面效應并減緩器件退化過程，從而提高二維微納電子器件的性能。