近年來，随着傳統矽基芯片制程不斷縮小且集成度不斷提高，短溝道效應和熱效應日趨顯著，現有電子器件的運行速度和性能已接近矽基材料極限，對新型材料及器件的探索與研究顯得尤為關鍵。二維材料具有超快響應速度、高電子遷移率等優異的物理特性和完備的電學功能；同時，由于其天然具備原子層極限厚度和平面結構，與當代微納加工工藝相兼容，有望推動新一代量子材料技術應用的變革。與矽基芯片依賴于晶圓級單晶矽錠制備相似，實現二維材料芯片級應用須以大尺寸、高質量的二維單晶制備為基礎。然而，由于難以消除非平行晶疇和缺陷晶界，如何在絕緣襯底上外延生長出晶圓級二維過渡金屬硫族化物是亟待解決的關鍵難題。

自2016年以來，beat365官方网站劉開輝教授、王恩哥院士和俞大鵬院士等圍繞大尺寸二維單晶材料制備展開新機理探索和核心技術攻關，提出并發展了一套金屬襯底上米級二維單晶的通用原子制造技術，實現了石墨烯單晶的超快生長（Nature Nanotechnology 2016, 11, 930; Nature Chemistry 2019, 11, 730）、米級單晶石墨烯的外延制備（Science Bulletin 2017, 62, 1074）、百平方厘米級單晶氮化硼薄膜制備（Nature 2019, 570, 91）以及30餘種A4尺寸高指數單晶銅箔庫的制備（Nature 2020, 581, 406）。與金屬襯底相比，絕緣襯底和二維材料之間的耦合作用非常弱，因此在絕緣襯底上實現二維晶疇的取向控制異常困難，目前低維物理領域内絕緣襯底上的二維單晶通用制備進展有限。

近期，劉開輝與韓國基礎科學研究院丁峰教授、複旦大學吳施偉教授、北京理工大學趙芸副教授、華南師範大學徐小志研究員等合作，提出二維材料與絕緣襯底面内範德華耦合作用和台階相互作用的雙耦合協同調控新機理（見下圖），實現了2 in（英寸）單層單晶WS₂的外延制備。這一生長機理的關鍵物理思想在于：一方面，WS₂和藍寶石襯底間的範德華相互作用将WS₂晶疇的優勢取向限制為0°與180°；另一方面，WS₂和藍寶石台階間的相互作用可以打破兩個取向的能量簡并性，從而使WS₂晶疇隻保留一個優勢取向。聯合研究團隊發現該機理也适用于其他二維單晶材料的制備，并在a面藍寶石襯底上同時實現了單晶MoS₂（二硫化钼）、WSe₂（二硒化鎢）和MoSe₂（二硒化钼）的外延生長。系列研究成果将有望推動二維過渡金屬硫族化物在電子、光電子以及谷電子學器件等方向的應用。

通過雙耦合協同調控實現晶圓級單層單晶WS₂生長

2021年11月15日，相關研究成果以“雙耦合協同調控實現近鄰a面藍寶石襯底上晶圓級單層單晶二硫化鎢的外延生長”（Dual-coupling-guided epitaxial growth of wafer-scale single-crystal WS₂ monolayer on vicinal a-plane sapphire）為題，在線發表于《自然·納米科技》（Nature Nanotechnology）；北京理工大學-beat365聯合培養2017級博士研究生王金煥、華南師範大學徐小志研究員、beat365-韓國基礎科學研究院聯合培養2021屆博士畢業生程婷、複旦大學2021屆博士畢業生顧樂華為共同第一作者；劉開輝、丁峰、吳施偉和趙芸為共同通訊作者。

上述研究工作得到國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃、北京市自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項，及量子物質科學協同創新中心、納光電子前沿科學中心和beat365電子顯微鏡實驗室等支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-01004-0