太阳成集团tyc234cc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
太阳成集团tyc234cc博士生秦彪、郭泉林，太阳成集团tyc234cc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；太阳成集团tyc234cc刘开辉教授、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太阳成集团tyc234cc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太阳成集团tyc234cc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。
论文原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6038
