鑽石舞台

創新點：實驗和理論結合研究表明，在原子精度上的聚焦電子束圖案化技術能夠在單層ReS2和 ReSe2及其晶界處將原始半導體 T」相轉化為金屬 T 或 T' 相，包括一維圖案化和二維圖案化。透射電子顯微鏡(TEM) 在像差校正後提供了高達亞埃級的理想圖案化精度，圖案的精度可達幾到一百平方納米。此外，電子束尺寸和劑量可以在聚焦和平行光束模式下調整，從而控制相變的區域和速度。此金屬-半導體相圖案化技術為材料的原子級結構化提供了強有力的手段，有助於推動納米技術的未來發展。

關鍵詞：電子束光刻，二維材料，透射電子顯微鏡，亞納米尺度，電接觸

金屬-半導體相變的發現為智能計算、傳感器和存儲設備等應用提供了新的機會。然而，目前設備尺寸的不斷縮小要求對材料進行相控制的能力具有原子級、至少納米級的精度，這是機械、熱學、化學和相關常規處理方法所無法實現的。光學圖案化技術雖然與當前的光刻技術兼容，但受到衍射極限的限制。因此，具有更小的光束尺寸、波長和影響區域的高能電子束在原子級光刻圖案化中具有巨大潛力。7 nm 集成電路已通過 13.5 nm 波長的極紫外光刻技術達成，但是基本達到了光學和材料設定的固有極限。對於原子級器件的圖案化，電子束在波長和光束尺寸方面比光子具有顯著優勢，但輻照損傷等問題阻礙了電子束光刻進入亞納米範圍和進一步的工業應用。

最近，二維材料中的半導體-金屬相變已可以通過激光照射、化學摻雜等方法實現。其中二維過渡金屬二硫屬化物 (TMD) 中的六方 (H) 和單四方 (T/T'/Td) 相是實施相工程的理想材料，並能被應用於各種新穎的器件結構。然而，相對廣泛研究的 H-T 相變，金屬 T 相與其電荷密度波相（即 T' 或 T」）之間的轉變還有待發掘。尤其是已有相關研究發現在電子輻照下原始T』』相的間距收縮了 20.6%，進一步完全理解 T 相的轉變和探索二維ReS2，ReSe2相關機制十分關鍵。

受此啟發，香港理工大學趙炯課題組、中國人民大學季威課題組和香港城市大學李淑惠課題組合作實現了單層ReS2 和ReSe2在電子束輻照下從原始相到精確亞穩態相的轉變。在透射電子顯微鏡不同方向的電子束掃描輻照下，原始T』』相可在一維線狀範圍內圖案化為T』相(沿單個主軸方向掃描)或T相(沿雙軸方向掃描)。而當電子束輻照範圍擴大到二維面空間時，ReS2 和ReSe2晶格可在上百平方納米內完成T』』到T』和T的圖案化過程。研究者將這類相工程延伸到晶界處和電接觸部位，並對圖案化後的相變區域進行電學測試，結果證實了相變後晶界處電導的增加以及平行電子束輻照下電接觸的大幅改善。

實驗和密度泛函理論 (DFT) 結果表明，T 和 T' 相由於ReS2和 ReSe2單層中的面內壓縮應變變得更為穩定，這是由來自高能電子束knock-on效應產生的S 或 Se 原子缺陷的連鎖效應引起的。Knock-on損傷作為高能電子輻照下單層樣品的主要損傷，會引發原子空位缺陷。通過DFT 計算得出S 空位（單空位和雙空位）的形成能及其相關的 ReS2相變發生的應變條件，與STEM實驗測量值相符。DFT能帶結構表明，無論應變條件如何，單層 ReS2 的 T 和 T' 相都呈金屬性，這也合理解釋了電子束圖案化時材料電導率的顯著提高。

相關工作以「Sub-Nanometer Electron Beam Phase Patterning in 2D Materials」為題，發表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202200702)上，文章第一作者為香港理工大學大學博士鄭方園，中國人民大學博士研究生郭的坪，香港城市大學博士研究生黃玲莉和香港理工大學博士研究生王樂永。通訊作者為香港理工大學趙炯博士，共同通訊作者為中國人民大學/香港城市大學季威教授以及香港城市大學李淑惠博士。