近日，南京大學聯合韓國基礎研究院、荷蘭AMOLF研究所與南京理工大學等單位，揭示了納米尺度下的金屬摻雜自抑制效應，並基於此效應實現了高純度的奈米矽材料的製備。

奈米尺度的雜質控制對半導體性質影響巨大，從而對於其在電晶體、感測器、太陽能電池和能源儲存等領域的應用至關重要。然而大量金屬原子注入半導體奈米材料的現象已經被廣泛報道，諸如鋁、金等被發現以遠高於平衡固體溶解度的方式進入到矽奈米材料中。金屬摻入半導體的原子尺度過程尚未被完全理解，因此，如何理解並且控制半導體中金屬原子的注入是一個重要挑戰。

針對於此，研究者首先透過理論計算揭示了在矽奈米材料中的雜質摻入量與其進入矽晶格的方式緊密相關。對於鋁和金這一類原子，摻雜時傾向於以取代矽原子的方式，在晶格里與矽之間形成緊密結合，不利於脫出半導體；而對於錳或鎂這一類原子，摻雜時傾向於以填隙形式進入矽晶格中，且結合能較弱，容易從晶格中脫離，這就是金屬摻雜自抑制效應。透過雜質流動模型，研究者預測矽奈米材料中的錳這一類金屬雜質含量可以降低至10-10，比金或者鋁等低3-8個數量級 （圖一）。

圖一 關於鋁、金和錳、鎂這兩類不同種類的金屬在矽晶格里的嵌入脫出模型及理論計算結果。

基於這一理解，研究者使用化學氣相沉積法制備了基於錳金屬催化劑的矽奈米線，並透過高分辨透射電鏡能譜和三維原子探針（理論精確度 1ppm）等手段，系統地驗證了在所製備得到的矽奈米線裡未探測到任何錳金屬雜質訊號（圖二），從而直接證實了納米尺度下的金屬摻雜自抑制效應；基於高純度矽奈米材料的場效應電晶體也顯示了優異的電傳輸效能。

綜上，這一金屬摻雜自抑制效應為理解奈米尺度下的金屬與半導體的結合行為提供了新的依據，也為未來設計和加工奈米尺度的金屬-半導體結構、構築新型功能器件提供了新的方案。

圖二 錳催化劑製備的矽奈米線的TEM及三位原子探針的表徵結果，無任何錳雜質訊號被檢測出。

這一成果以“Self-inhibition effect of metal incorporation in nanoscaled semiconductors”為題發表在Proceedings of the National Academy of Sciences上。該論文第一作者是南京大學現代工學院朱斌博士，北京交通大學伊丁副教授、南京大學博士研究生王毓熙為共同一作；通訊作者為南京大學朱嘉教授和韓國基礎研究院丁峰教授；同時該工作還得到了荷蘭AMOLF研究所Erik C. Garnett教授、孫虹宇博士，南京理工大學沙鋼教授、鄭功博士等合作者的大力支援。該研究得到了固體微結構國家實驗室（籌）微加工中心的技術支援，國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和中央高校基本科研業務費專項基金專案的資助。

論文連結：

https://www.pnas.org/content/118/4/e2010642118