beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室葉堉研究員、陳基研究員，beat365博雅博士後徐曉龍（現為北京理工大學預聘教授）與中國科學院大學周武教授等合作提出了一種在不同晶體對稱性、不同晶格常數和三維架構基底上異質外延生長半導體2H-MoTe₂薄膜的通用合成技術，克服了襯底對異質外延的限制。2022年8月15日，相關研究成果以“用于大規模異質集成的任意表面上半導體2H-MoTe₂薄膜的異質外延”（Heteroepitaxy of semiconducting 2H-MoTe₂ thin films on arbitrary surfaces for large-scale heterogeneous integration）為題，在線發表于《自然·合成》（Nature synthesis）。

beat365官方网站葉堉研究員課題組在前期二維碲化钼（MoTe₂）相變與可控制備的基礎上（J. Am. Chem. Soc. 141, 2128-2134, 2019; Science 372, 195-200, 2021），與合作者進一步提出了一種不受支撐基底限制的平面内二維橫向外延技術，将單晶2H-MoTe2半導體薄膜與高度晶格失配的平面晶體或任意形貌的3D架構異質集成（圖1），從而發展前所未有的集成技術與器件功能。

實驗中，合作團隊首先在半導體Si和GaN、絕緣4H-SiC、SrTiO₃和藍寶石、磁性Gd₃Ga₅O₁₂單晶襯底上合成了毫米級尺寸的單晶2H-MoTe₂薄膜，展示了該生長機制不受基底晶格匹配的限制。以單晶GaN基底為例（圖2），實驗發現在2H-MoTe₂的成核之前，Te原子會進入到1T’-MoTe₂薄膜與單晶基底間的界面位置，還原并鈍化單晶基底表面從而形成了單原子Te的半範德華結構，降低了MoTe₂薄膜與單晶基底間的原子相互作用。在此基礎上，2H-MoTe₂薄膜的相變重結晶合成機理起到重要作用，多晶的1T’-MoTe₂首先相變形成2H相的成核中心，進而形成了面内的1T’/2H的異質結。通過面内二維外延持續誘導相變的發生，相變過程伴随着以異質界面處2H相MoTe₂為模闆的重結晶過程，使得相變後的整個薄膜的晶格取向和成核中心一緻，不受基底的限制。

圖2 在GaN基底上異質外延的2H-MoTe₂界面掃面透射電鏡表征

此外，該外延方法也不受表面起伏的限制。例如，合作團隊在具有高深寬比（2.8）的三維結構基底（鳍形矽）上直接生長了2H-MoTe₂薄膜（圖3）。與上述1T’-2H相變重結晶機理相同，2H-MoTe₂薄膜在生長過程中可以跨越三維非平面基底并且它的晶格取向與成核中心保持一緻，從而在三維結構上依然可合成出單晶2H-MoTe₂薄膜。2H-MoTe₂的合成機制是通過相變重結晶過程實現，無需考慮基底的單晶性和形貌，因此可以在任意表面上進行合成，該研究為後續的2H-MoTe₂異質集成研究提供了基礎。

圖3 在鳍形矽基底上異質外延的2H-MoTe₂薄膜的截面掃描透射電鏡表征

合作團隊觀察到通過相變的平面内二維外延工藝不受晶格匹配和平面表面的限制，因此允許在任意襯底上合成大面積單晶 2H-MoTe₂薄膜。通過将 2H-MoTe₂ 薄膜與1英寸Si晶圓集成，合作團隊制備了垂直p-n異質結陣列，該陣列表現出 100% 的器件良率、高器件性能和優異的均勻性（圖4）。合作團隊的方法為二維半導體2H-MoTe₂薄膜與其他襯底的異質集提供了可能性。