研究背景和主要內容

單晶六方氮化硼 (hBN) 在許多涉及二維 (2D) 材料的研究中發揮著重要作用。絕緣 hBN 的一個顯著應用是通過將 2D 材料封裝在 hBN 薄片之間來構建范德華 (vdW) 異質結構。在這些異質結構中，hBN的高純度和優異的晶體質量使其成為二維材料的理想絕緣體，從而顯著提高載流子傳輸性能。然而，盡管六方氮化硼層密度較低，但其原生無序性已被認為是進一步增強石墨烯異質結構中載流子傳輸的限制因素以及2D晶體管的性能。另一方面，利用 hBN 中的缺陷已被證明有利于實現隨機數生成器等器件概念，和單光子發射器（SPE）。因此，了解 hBN 中缺陷的性質，包括其充電和放電的動態，對于推進二維電子學和量子技術具有重要意義。

使用陰極發光和元素分析對 hBN 晶體進行早期材料表征，揭示了空位和碳、氧等雜質的存在。通過使用電子顯微鏡對從塊體樣品中剝離的單層 hBN 進行直接成像，還揭示了 hBN 中碳和氧的結合。通過使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 進行直接可視化，可以進一步了解 hBN 內各個原生缺陷的性質，揭示其帶隙內三種不同的帶電缺陷狀態。這一發現與 Hayee 等人最近的一項研究一致，它將 hBN SPE 中觀察到的不同發射光譜與四種缺陷候選聯系起來。為了闡明 hBN 中局部原生缺陷的身份，第一性原理計算通過提供有關其形成能和相關缺陷能級的信息發揮了重要作用。然而，由于可能存在的缺陷種類繁多，且缺乏直接的實驗證據，hBN 中缺陷的身份和行為仍然存在不確定性。

表征電子器件配置中缺陷的充電和放電動態是了解其性質的有效方法。一種常用的方法是檢查場效應晶體管 (FET) 中隨機電報信號 (RTS) 噪聲的偏置和溫度依賴性，詳細了解缺陷的能量和空間分布。這種方法已擴展到研究具有傳統無序電介質（如 SiO₂和 Al₂O_3）的 2D FET。由于傳統電介質中缺陷豐富多樣，檢測 RTS 通常需要使用小型 FET（亞微米尺寸），以盡量減少通道區域中的缺陷數量。相比之下，通過 hBN 封裝獲得的全范德華 2D 晶體管可提供低無序電子系統。雖然它們在傳輸研究中的實用性已得到證實，但它們在分析 hBN 缺陷方面的潛力仍未被探索，而這正是本研究的主要目標。    

在本研究中，我們利用 hBN 封裝和石墨烯接觸的全范德華 MoS₂ FET 作為低頻噪聲 (LFN) 研究的實驗平臺。該器件中電子系統的低無序性使得我們能夠在低溫下觀察到 100 μm²大器件尺寸中電流的隨機離散電平切換。對柵極偏壓和溫度依賴性數據的分析表明，RTS 源自位于 hBN 內部 MoS₂ /hBN 界面附近的單個能態。借助多空間約束搜索密度函數理論 (MS-DFT) 計算，我們將取代硼位點的碳原子（C_B）指定為實驗RTS觀測的可能缺陷來源。

圖 1. 全范德華 MoS₂ FET。(a) hBN 封裝石墨烯接觸 MoS₂ FET示意圖。左側面板示意性地顯示了范德華異質結構的各個組成部分。中間面板顯示最終的范德華 FET。右側面板中的放大圖顯示了范德華 MoS₂器件的接觸和溝道區域。(b) 溝道區域的橫截面 TEM 圖像，顯示了 hBN 封裝的 MoS₂異質結構。(c) 邊緣接觸區域的橫截面 TEM 圖像，顯示了封裝的 hBN 薄片、單層石墨烯接觸和幾層 MoS₂。 (d) 全范德華 MoS₂ FET 的轉移特性和 (e) 輸出特性。輸出特性以 5 V 的 V_g增量進行測量。(f) 通過標準鎖定測量獲得的四點遷移率與溫度的關系。

圖 2. 低頻噪聲頻譜。(a) 噪聲測量裝置示意圖。(b) I_d -V_g特性曲線說明在 V_g應力作用下V_th發生負偏移，并在消除 V_g應力后恢復。(c) 不同 V_g和溫度下的 PSD 示例。在亞閾值 V_g和低溫下，PSD 遵循1/f ²趨勢（綠色曲線）。在室溫或亞閾值范圍之外，PSD 遵循1/f趨勢（深藍色和淺藍色曲線）。由 (d) 單個缺陷種類和 (e) 多個缺陷種類組成的電介質中電子捕獲的示意圖。(f) 1/f頻譜（紅色虛線）可以表示為具有不同轉折頻率的多個1/f ²頻譜（實線）的總和。為了便于說明，每個1/f ²頻譜都用顏色編碼，以表示面板 (e) 中每種不同缺陷種類的影響。

圖 3. 全范德華場效應晶體管 (FET) 中的隨機電報信號。(a)-(d)在 50 K 時，在 V_g接近平帶的有限范圍內測量I_d的離散電平切換。(e)-(h) 在 V_g固定但溫度不同時測量I _d 的離散電平切換。這里，我們繪制了離散電平之間的差異 (ΔI _d )。

圖 4. 不同溫度和 V_g偏置下的時間常數：從觀察到的 RTS 數據中提取的不同溫度和柵極偏置條件下的時間常數。平均特征時間常數用于分析導致 RTS 的缺陷的能量和空間分布。

圖 5. 缺陷的能量和空間分布。(a)能帶圖說明了 V_g對陷阱能級 E _T移動的影響。(b)計算出的相對于 E_F 的陷阱能級和 (c) 相應的陷阱占有率在不同溫度下隨 V_g 的變化。(d) CCD 示意性地說明了不同溫度下的缺陷動態。(e)通過擬合高溫狀態 (>150 K) 下的數據提取的陷阱活化能。(f)分布圖顯示了根據不同溫度下的測量估計的缺陷空間位置。負號表示缺陷位置在 hBN 內部有幾納米。

圖 6. 缺陷 hBN/MoS₂異質結構柵極響應的 MS-DFT 模擬。 (a) 基于 Au/hBN/MoS₂的 2D FET 結構計算模型（左圖）。C_B或 V_N缺陷（右圖）被引入到第二界面 hBN 層中。 (b) 平衡（V_g = 0 V）能帶結構投影到具有 C_B（左）和 V _N缺陷（右）的MoS₂和 hBN上。紅色和藍色圓圈分別表示 C_B和 V_N缺陷的兩種自旋極化狀態。圓圈的大小量化了軌道貢獻的強度。 （c） T = 250 K 時 V_g = 0 V（黑線）和 ?16 V（紅線）計算的平面平均靜電勢能。 （d） T = 50、100、200 和 250 K時獲得的 C _B的占有（左圖）和能量位置（右圖）隨 V _g的變化。

圖 7. 確定 C_B缺陷是 RTS 的原子起源。在零電荷（黑色曲線）和 +1 e電荷（紅色曲線）約束條件下，在T = 250 K下計算的 (a) C _B和 (b) V _N缺陷的 CCD。空心圓表示從 MS-DFT 計算中明確獲得的數據點，實線為二階多項式擬合。計算出的（黑線）時間常數 τ _i值是通過使用 NMP 模型擬合 (c) C _B和 (d) V _N缺陷的參數獲得的，以T = 50 和 255 K 下的實驗 τ _i值。垂直灰色虛線表示溫度相關狀態與溫度無關狀態之間的過渡點，對應于T = 50 K τ _i值的 3% 偏差點。

結論

這里建立的結果證明了 hBN 封裝和石墨烯接觸的低無序 MoS₂ FET 在探測 hBN 中的缺陷動力學方面的實用性。盡管我們的 FET 面積很大（100 μm²），但我們的 LFN 測量結果顯示，在低溫下晶體管電流中發生了離散級切換，表明與 hBN 內單個缺陷物種相關的缺陷級充電和放電。實驗數據揭示了缺陷的正電荷性質及其能量和空間分布。結合 LFN 光譜實驗數據和理論 MS-DFT 分析，我們將取代單晶 hBN 中硼位點的碳原子指定為最可能的缺陷候選者。    

作為未來的研究方向，可以使用 p 型通道材料創建類似的器件結構，以探測靠近 hBN 價帶邊緣的受體型缺陷。此外，使用足夠大的 hBN 薄片進行電容測量將允許在整個帶隙中表征缺陷，類似于過去對 MoS₂進行的研究。此外，輻射 hBN 以產生已知的缺陷類型可能有助于揭示其 LFN 行為并確定 RTS 的原子起源。本研究對 hBN 缺陷的深入理解將有利于進一步提高材料質量。我們還希望這些發現可以為未來電子和量子設備應用的缺陷工程研究提供參考。