【复材资讯】又发Nature，这个二维材料，到底有多火!

研究背景

外延是一种晶体生长方法，它是在一定条件下使原子规则地排列在单晶衬底上，形成结构完整，与衬底取向相同，并有一定厚度的单晶层的方法。外延技术既可用于生长与衬底材料相同的单晶层(同质外延)，亦可用于生长与衬底材料不同的单晶层(异质外延)。二维（2D）半导体，特别是过渡金属二硫化物（TMDs），在硅基电子技术之外具有巨大的应用潜力。传统上，TMDs通过化学气相沉积（CVD）在晶体基底上外延生长。然而，这一方法需要将生长后的材料转移到目标基底上，导致厚度控制和可扩展性较难实现。

为了解决这一问题，首尔大学Gwan-Hyoung Lee团队在“Nature”期刊上发表了题为“Hypotaxy of wafer-scale single-crystal transition metal dichalcogenides”的最新论文。本文介绍了一种称为“低对齐”（hypotaxy）的方法（“hypo”表示向下，“taxy”表示排列），该方法能在各种基底（包括非晶态和晶格不匹配基底）上直接生长晶体对齐的单晶TMD，同时保持与上方2D模板的晶体对准。通过在石墨烯覆盖下硫化或硒化预先沉积的金属薄膜，形成对齐的TMD晶核，并在去除石墨烯后使这些晶核融合成单晶薄膜。

这一方法在多种基底上实现了精确的MoS2厚度控制，范围从单层到数百层，并生产出了具有高热导率（约120 W m−1 K−1）和高迁移率（约87 cm2 V−1 s−1）的4英寸单晶MoS2。此外，使用氧等离子体处理石墨烯形成的纳米孔，使得MoS2在400°C的较低温度下也能生长，从而与后道工艺兼容。

该低对齐方法适用于其他TMDs，如MoSe2、WS2和WSe2，为传统外延法中的基底限制提供了解决方案，并使得单晶TMDs能够在单片集成中实现三维一体化。

研究亮点

1.实验首次提出了假外延生长（hypotaxy）方法，通过该方法，成功实现了在不同基底上生长大面积单晶TMDs。

2.实验通过在金属薄膜上转移单层石墨烯，并在高温下通过硫化或硒化反应形成对准的TMD晶核。最终，这些晶核合并形成单晶TMD薄膜，且在去除石墨烯后，TMD层仍保持与石墨烯的晶格对准。该方法能够精确控制MoS2的厚度，且适用于不同的基底，包括非晶基底和晶格不匹配的基底。

3.实验通过调节石墨烯表面产生纳米孔，降低生长温度至400°C，兼容后端工艺。利用该方法，实验成功获得了具有高热导率（约120 W m−1 K−1）和高迁移率（约87 cm2 V−1 s−1）的MoS2单晶薄膜。

4.实验通过该方法扩展到其他TMDs，如MoSe2、WS2和WSe2，实现了更广泛的适用性，克服了传统外延生长方法在基底选择上的局限性，为单片三维集成提供了新思路。

图文解读

图 1: 外延生长和假外延生长的机制图 2: 假外延生长的逐步过程图 3: MoS2假外延生长中的层数可控性图 4: 4英寸单晶MoS2的假外延生长图 5: 假外延生长单晶MoS2的热学和电学特性

结论展望

总之，本研究通过假外延（hypotaxy）这一新方法，在二维半导体，特别是过渡金属二硫化物（TMDs）的合成方面取得了显著进展。我们成功展示了使用石墨烯模板进行单晶TMD层（包括MoS2、MoSe2、WS2和WSe2）的晶片级生长，与传统生长方法相比，显著提高了晶体质量和均匀性。所得到的单晶TMD材料表现出优越的热学和电学性能。

特别值得注意的是，高质量的MoS2在场效应晶体管中表现出优异的电性能，具有高迁移率和一致的器件特性，且在多个样品中表现稳定。此外，假外延方法在单片三维集成中的可行性及其与后端工艺（BEOL）兼容性，为半导体器件的制造开辟了新的途径。我们的研究不仅提供了一种创新的高质量TMD生长合成方法，也为下一代半导体技术的发展迈出了重要一步。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08492-9

免责声明：中国复合材料学会微信公众号发布的文章，仅用于复合材料专业知识和市场资讯的交流与分享，不用于任何商业目的。任何个人或组织若对文章版权或其内容的真实性、准确性存有疑议，请第一时间联系我们。我们将及时进行处理。

继续滑动看下一个轻触阅读原文

中国复合材料学会向上滑动看下一个

原标题：《【复材资讯】又发Nature，这个二维材料，到底有多火!》

阅读原文