半导体情报，科学家利用创新界面外延策略制备二维单晶材料！

【科学背景】

过渡金属二硫化物（TMDs）作为二维材料，在下一代电子集成电路和光子集成电路中显示出巨大潜力。其中，菱面层状（3R）TMDs因其优异的电流密度和高载流子迁移率成为研究热点。然而，生长大尺寸单晶3R-TMDs面临着表面外延生长的挑战，这限制了层数和堆垛相位的精确控制。

为了应对这一问题，北京大学刘开辉教授，中国人民大学刘灿副教授和中科院物理研究所张广宇研究员等人合作在“Science”期刊上发表了题为“Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition-metal dichalcogenide single crystals”的最新论文。科学家们提出了一种 “晶格传质-界面外延”的外延策略，成功实现了晶片尺度、厚度可控的3R-TMD单晶的通用生长。通过这种方法生长的3R-MoS2薄膜表现出高结晶度，显著提升了场效应晶体管阵列的性能，包括高再现性和超越行业标准的载流子迁移率。

此外，厚3R-TMD通过差频发生过程实现了近红外波长转换和显著的非线性光学增强，展示出在片上集成2D晶体管和非线性光学器件方面的广泛应用潜力。这些成果有望推动3R-TMDs在后摩尔定律时代的纳米电子学、非挥发性存储器、神经形态计算、太阳能收集和量子光源等领域的前沿技术发展。

【科学亮点】

（1）实验首次采用“晶格传质-界面外延”的外延策略，成功实现了晶片尺度、厚度可控的菱面层状（3R）过渡金属二硫化物（TMD）单晶生长。

（2）实验通过此策略，得到了以下几个关键结果：

•实现了高结晶度的3R-MoS2薄膜生长，显著提升了场效应晶体管（FET）阵列的性能，包括超过IRDS设定的高迁移率基准。

•成功实现了近红外波长转换和厚3R-TMD DFG过程中的显著非线性光学增强。

•预计这些3R-TMD单晶将成为一个多功能的材料平台，用于片上集成2D晶体管和非线性光学器件，推动其在后摩尔定律纳米电子学、非挥发性存储器、神经形态计算、太阳能收集、片上非线性光学器件和量子光源技术中的应用前沿。

【科学图文】

图1：3R-TMDs的表面和界面外延示意图。

图2. 3R-MoS2多层单晶的表征。

图3. 3R-MoS2及其合金单晶的通用外延研究。

图4. 3R-MoS2 FETs的测量。

图5：3R-MoS2单晶的DFG测量。

【科学结论】

本文通过创新的界面外延策略，实现了晶片尺度、厚度可控的菱面层状（3R）过渡金属二硫化物（TMD）单晶的大规模生长。传统表面外延法面临层间相互作用弱、层数控制困难的挑战，而本研究通过在单晶Ni衬底上持续供给金属和硫属元素，确保了3R堆垛序列的一致性和厚度的精确控制，从而获得了高结晶度和相位纯度的3R-TMD薄膜。这不仅显著提升了薄膜的电学性能，如高迁移率的场效应晶体管（FET）性能和非线性光学效应的增强，还为在电子与光学器件领域的深入研究开辟了新的可能性。

本文的创新策略不仅适用于3R-TMDs，还为其他功能材料的制备提供了新的思路和方法。通过在界面控制的精细化处理下，不仅可以优化材料的物理特性，还可以定制化设计材料的结构和功能，进一步拓展了材料科学与工程中的应用前景。此外，通过3R-TMD单晶在能源转换、信息存储和量子技术等领域的潜在应用，本研究还提供了一个重要的实例，展示了如何通过基础科学的探索和工程技术的创新，推动材料科学领域的发展和进步。

文献信息：Biao Qin et al. ,Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition-metal dichalcogenide single crystals.Science385,99-104(2024).DOI:10.1126/science.ado6038