二维半导体C位突破 江南大学解决TMDS外延生长难题

大面积高质量单晶的生长一直是现代电子技术得以高速发展的基石。为了突破硅基电子学摩尔定律的限制，当前电子学研究的热点和重点，即类石墨烯二维半导体如过渡金属硫族化合物（TMDs）等，目前面临着如何精确控制原子层级的二维晶体的外延逐层生长这个难题。单层高质量TMDs的生长和光电应用经常见诸主流期刊，但双层乃至多层高质量单晶TMDs的生长仍是一个巨大的挑战。目前用于基础研究和光电应用的双层及多层TMDs多来自于机械剥离法以及后处理方法（如激光刻蚀、等离子体刻蚀和热退火等），普遍存在产率低、层数和尺寸可控性差等问题。虽有少数工作采用化学气相沉积（CVD）法制备出双层及多层TMDs，但仍存在晶体质量差、尺寸和层数不可控等问题。根据生长动力学理论，双层单晶的生长至少需要两个不同温度的生长阶段来促使单层的垂直高阶堆垛，但是在传统CVD升温阶段过程中，对前驱反应气体的控制不良通常会导致形成不可控和不需要的成核中心，进而显著降低所制备晶体的质量和可控性。

为了解决该问题，江南大学电子工程系教授、全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组SAC/TC279/WG9委员肖少庆课题组（低维半导体材料与器件实验室）提出了一种具有普适性的氢气辅助反向气流化学气相外延法，实现了多种TMDs及其合金高质量双层单晶的大范围可控生长。相关成果以“Transition metal dichalcogenides bilayer single crystals by reverse-flow chemical vapor epitaxy”为题于2019年2月5日在线发表在《自然?通讯》上（Nat. Comm. 2019, 10, 598）。该方法通过在升温阶段引入氢气反向气流并控制生长温度梯度，不仅有利于减少外延生长时不需要、不可控的成核中心，而且有利于源自第一单层成核中心的第二单层的均质外延。这种方法的效率远超机械剥离法和传统的CVD方法，并在三层及多层单晶的逐层可控制备方面展现出巨大的潜力。另外，通过控制第二层的生长温度可以得到不同堆垛的双层TMDs单晶如AA堆垛和AB堆垛的二硫化钼（MoS2），实验结果发现AA堆垛的双层MoS2具有比单层更高的场效应管迁移率；通过采用多种源粉首次合成了MoWSSe四元合金双层单晶，实验结果表明其场效应晶体管表现出明显的双极性特征。

基于氢气辅助反向气流化学气相外延法的TMDs双层可控制备及其光电性能展示

这项研究为TMDs的大范围逐层可控制备提供了一种可靠和通用的思路，为研究层与层之间的范德华力相互作用提供了良好的平台，为实现过渡金属硫属化合物薄膜及其异质结的按需可控制备打下了坚实的基础，极大地提升了TMDs等二维半导体在实际电子和光电器件的应用潜力。

该研究得到了江南大学自主科研计划-重点项目、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助。2014级博士生张秀梅为第一作者，课题组的南海燕老师为共同第一作者，课题组负责人肖少庆校聘教授和团队负责人顾晓峰教授为共同通讯作者，电学测试和理论计算方面分别得到了东南大学倪振华教授课题组和澳大利亚昆士兰科技大学Kostya Ostrikov教授等的支持。

课题组论文全文链接：Transition metal dichalcogenides bilayer single crystals by reverse-flow chemical vapor epitaxy。

作者：肖少庆课题组