beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所劉開輝教授課題組與合作者提出“晶格傳質-界面外延”材料制備新範式，首次實現了層數及堆垛結構可控的菱方相二維疊層單晶的通用制備。該材料在電學上達到國際器件與系統路線圖（IRDS）的2028年半導體器件遷移率目标要求，在光學上實現近紅外波段超薄高能效光學晶體頻率轉換。2024年7月5日，相關成果以“多層菱方相過渡金屬硫族化合物單晶的界面外延”（Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals）為題，在線發表于《科學》（Science）。
二維過渡金屬硫族化合物（TMDs）根據層間堆垛排布方式可以分為六方相（2H-TMDs：六方晶系，層間堆垛方式為AA'AA'）與菱方相（3R-TMDs：三方晶系，層間堆垛方式為ABCABC）結構。其中3R-TMDs較2H-TMDs具備更高的載流子遷移率及電流密度，使其成為2納米以下技術節點集成電路的理想溝道材料。另外，3R-TMDs獨特的層間堆垛方式打破了面内反演對稱性和面外鏡像對稱性，賦予其界面極化反轉的鐵電性、高能效體光伏效應和相幹增強非線性光學響應。這些物理特性有望推動3R-TMDs在“後摩爾時代”先進制程微電子、非易失性存儲器、神經拟态計算、太陽能能量轉換、片上非線性光學器件、量子光源等電子芯片及光子芯片領域的發展。
然而，面向電子/光子芯片用的3R-TMDs單晶薄膜制備極具挑戰，目前尚無法實現。其制備難點具體如下。（1）相結構控制困難：六方相2H-TMDs與菱方相3R-TMDs能量差異極小（通常2H比3R相能量低~1-10 meV/unit cell），往往兩相共存。（2）層數控制困難：TMDs材料生長主要局限于“表面外延”技術路線，雖然可通過表面逐層生長或多層形核方式獲得少層結構，但随層數增加襯底的近鄰作用降低，直至消失，僅剩的層間弱範德華耦合無法支撐更厚層數生長。因此，傳統“表面外延”技術從原理上極難實現3R-TMDs控制制備。傳統“溶解-析出”模式通過将前驅體溶解至目标襯底（通常為金屬），随後通過降溫/恒溫析出産物，可天然突破“表面外延”限制。然而，由于硫族元素極易損壞金屬襯底，TMDs體系用“溶解-析出”模式制備亦無法實現。
圖1.發展“晶格傳質-界面外延”生長新範式，制備晶圓級3R-TMDs單晶
針對上述挑戰，劉開輝課題組與合作者提出“晶格傳質-界面外延”材料制備新範式，首次實現了層數及堆垛結構可控的菱方相3R-TMDs單晶的通用制備。為了克服金屬襯底的硫化反應，該研究通過将硫族元素以單原子供應方式充分溶解至Ni-M（M為過渡金屬）合金襯底中，反應原子通過濃度及化學勢梯度于金屬晶格中不斷傳質，随後在襯底和TMDs界面處外延析出新生TMDs層。通過連續“擡起”形成層來保持外延界面的表面結構及化學活性，保證了每層TMDs沿襯底台階的平行取向，“推動”了多層薄膜的連續界面外延，實現了15000層以内的層數可控、層間嚴格平行排布的晶圓級單晶3R-TMDs（含MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、NbS2、NbSe2及MoS2(1-x)Se2x）純相生長。其中，少層3R-MoS2展現了極高的電學性能，滿足國際器件與系統路線圖2028年半導體器件遷移率目标要求；厚層3R-MoS2在非線性頻率轉換方面展現出卓越的性能，在準相位匹配條件下，實現近紅外波段高能效差頻轉換效率，較單層提升5個數量級。該工作發展了“晶格傳質-界面外延”材料制備新範式，有望推動新一代電子芯片及光子芯片技術應用。
圖2. 3R-MoS2優異的電學和光學性能
beat365博士生秦彪、郭泉林，beat365博士後馬超傑，中國科學院物理研究所博士生李修瑧為論文共同第一作者；beat365劉開輝教授、中國人民大學劉燦副教授、中國科學院物理研究所張廣宇研究員為共同通訊作者。其他主要合作者還包括beat365王恩哥院士、王新強教授、高鵬教授、趙清教授，中國科學院物理研究所杜羅軍研究員，華南師範大學魏文娅研究員等。
研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、新基石科學基金會等相關項目及beat365納光電子前沿科學中心、量子物質科學協同創新中心、輕元素先進材料研究中心、松山湖材料實驗室和天津國家超算中心等的大力支持。
論文原文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6038
