北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授课题组与合作者提出“晶格传质-界面外延”材料制备新范式，首次实现了层数及堆垛结构可控的菱方相二维叠层单晶的通用制备。该材料在电学上达到国际器件与系统路线图（IRDS）的2028年半导体器件迁移率目标要求，在光学上实现近红外波段超薄高能效光学晶体频率转换。2024年7月5日，相关成果以“多层菱方相过渡金属硫族化合物单晶的界面外延”（Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals）为题，在线发表于《科学》（Science）。

二维过渡金属硫族化合物（TMDs）根据层间堆垛排布方式可以分为六方相（2H-TMDs：六方晶系，层间堆垛方式为AA'AA'）与菱方相（3R-TMDs：三方晶系，层间堆垛方式为ABCABC）结构。其中3R-TMDs较2H-TMDs具备更高的载流子迁移率及电流密度，使其成为2纳米以下技术节点集成电路的理想沟道材料。另外，3R-TMDs独特的层间堆垛方式打破了面内反演对称性和面外镜像对称性，赋予其界面极化反转的铁电性、高能效体光伏效应和相干增强非线性光学响应。这些物理特性有望推动3R-TMDs在“后摩尔时代”先进制程微电子、非易失性存储器、神经拟态计算、太阳能能量转换、片上非线性光学器件、量子光源等电子芯片及光子芯片领域的发展。

然而，面向电子/光子芯片用的3R-TMDs单晶薄膜制备极具挑战，目前尚无法实现。其制备难点具体如下。（1）相结构控制困难：六方相2H-TMDs与菱方相3R-TMDs能量差异极小（通常2H比3R相能量低~1-10 meV/unit cell），往往两相共存。（2）层数控制困难：TMDs材料生长主要局限于“表面外延”技术路线，虽然可通过表面逐层生长或多层形核方式获得少层结构，但随层数增加衬底的近邻作用降低，直至消失，仅剩的层间弱范德华耦合无法支撑更厚层数生长。因此，传统“表面外延”技术从原理上极难实现3R-TMDs控制制备。传统“溶解-析出”模式通过将前驱体溶解至目标衬底（通常为金属），随后通过降温/恒温析出产物，可天然突破“表面外延”限制。然而，由于硫族元素极易损坏金属衬底，TMDs体系用“溶解-析出”模式制备亦无法实现。

图1. 发展“晶格传质-界面外延”生长新范式，制备晶圆级3R-TMDs单晶

针对上述挑战，刘开辉课题组与合作者提出“晶格传质-界面外延”材料制备新范式，首次实现了层数及堆垛结构可控的菱方相3R-TMDs单晶的通用制备。为了克服金属衬底的硫化反应，该研究通过将硫族元素以单原子供应方式充分溶解至Ni-M（M为过渡金属）合金衬底中，反应原子通过浓度及化学势梯度于金属晶格中不断传质，随后在衬底和TMDs界面处外延析出新生TMDs层。通过连续“抬起”形成层来保持外延界面的表面结构及化学活性，保证了每层TMDs沿衬底台阶的平行取向，“推动”了多层薄膜的连续界面外延，实现了15000层以内的层数可控、层间严格平行排布的晶圆级单晶3R-TMDs（含MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、NbS2、NbSe2及MoS2(1-x)Se2x）纯相生长。其中，少层3R-MoS2展现了极高的电学性能，满足国际器件与系统路线图2028年半导体器件迁移率目标要求；厚层3R-MoS2在非线性频率转换方面展现出卓越的性能，在准相位匹配条件下，实现近红外波段高能效差频转换效率，较单层提升5个数量级。该工作发展了“晶格传质-界面外延”材料制备新范式，有望推动新一代电子芯片及光子芯片技术应用。

图2. 3R-MoS2优异的电学和光学性能

北京大学博士生秦彪、郭泉林，北京大学博士后马超杰，中国科学院物理研究所博士生李修瑧为论文共同第一作者；刘开辉、中国人民大学刘灿副教授、中国科学院物理研究所张广宇研究员为共同通讯作者。其他主要合作者还包括北京大学王恩哥院士、王新强教授、高鹏教授、赵清教授，中国科学院物理研究所杜罗军研究员，华南师范大学魏文娅研究员等。

研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、新基石科学基金会等相关项目及北京大学纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心、轻元素先进材料研究中心、松山湖材料实验室和天津国家超算中心等的大力支持。

信息来源：北京大学物理学院