近日，国家纳米科学中心王振兴研究员、王峰副研究员团队在低维半导体薄膜可控制备领域取得新进展。研究团队通过衬底分子工程设计，采用分子束外延方法成功实现了晶圆级、单轴取向碲纳米线薄膜的可控制备，相关研究成果以“Synthesis of wafer-scale uniaxially oriented tellurium films via molecular engineering”为题，发表于Nature Synthesis 2025（DOI:10.1038/s44160-025-00958-6）。碲（Tellurium）是一种具有一维链状范德华结构特征的半导体材料，具备约0.3 eV的禁带宽度、高达1370 cm2·V-1·s-1的空穴迁移率，并具有手性晶体结构和Weyl能带等独特性质，在高性能p型晶体管、偏振光学和自旋电子学等领域展现出广阔应用前景。然而，传统水热法和气相沉积法制备的材料结晶质量差、有序性不佳、厚度与形貌难以精确调控。
针对上述挑战，研究团队提出了一种基于“锚-绳”结构分子辅助成核的新策略。该方法选用m面取向的蓝宝石衬底，经高温退火形成具有平行排列的V型沟槽结构，随后在其表面修饰一类具有“锚-绳”结构的有机分子，如烷基咪唑啉、油胺等。这些分子一端为含咪唑基团、碳碳双键、氨基等基团的“锚”结构，对碲原子具有强亲和力；另一端为仅含碳碳单键的长链“绳”结构，对碲原子具有排斥作用。分子在V型沟槽中自组装后，形成周期性的碲原子吸附势场，引导碲原子优先吸附于沟槽底部并沿沟槽方向取向生长，最终形成高度有序的碲纳米线薄膜。
研究团队利用该方法成功制备出尺寸达1.3英寸的晶圆级高取向碲纳米线薄膜，其中99.7%的纳米线取向角度偏差小于5°，薄膜厚度可在10纳米至数百纳米范围内精确调控。基于该薄膜制备的场效应晶体管表现出优异的p型电学性能：在247个测试器件中，室温空穴场效应迁移率最高达560 cm2·V-1·s-1，平均迁移率为273 cm2·V-1·s-1，开关比最高可达104。
该研究为碲基纳米结构在下一代电子器件中的应用奠定了坚实的材料基础，也为其他低维半导体材料的可控合成提供了新思路。
图1 晶圆级平行排列Te纳米线薄膜的制备。周期性自组装超分子膜促进Te纳米线平行排列，阵列晶体管器件表现出良好的均一性。
国家纳米科学中心特别研究助理李淑荟为论文第一作者，南开大学博士生卫浩宇和国家纳米科学中心硕士生熊雩为论文共同第一作者，国家纳米科学中心王振兴研究员、王峰副研究员、曾庆祷研究员，南开大学胡振芃教授和武汉大学何军教授为通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金、科技部重点专项、中国科学院青促会等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s44160-025-00958-6
