大面積高質(zhì)量單晶的生長一直是現(xiàn)代電子技術(shù)得以高速發(fā)展的基石。為了突破硅基電子學(xué)摩爾定律的限制，當(dāng)前電子學(xué)研究的熱點(diǎn)集中在二維過渡金屬硫族化合物（TMDs）上。但是，如何精確控制這種原子層級的二維晶體的外延逐層生長，一直是一個(gè)難以解決的難題。近日，筆者從江南大學(xué)獲悉，由該校物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院顧曉峰、肖少慶教授等組成的科研團(tuán)隊(duì)（低維半導(dǎo)體材料與器件實(shí)驗(yàn)室），通過多年反復(fù)研究與試驗(yàn)，提出了一種具有普適性的氫氣輔助反向氣流化學(xué)氣相外延法，實(shí)現(xiàn)了多種TMDs及其合金高質(zhì)量雙層單晶的大范圍可控生長。

 　　“單層高質(zhì)量TMDs的生長和光電應(yīng)用經(jīng)常見諸主流期刊，但雙層乃至多層高質(zhì)量單晶TMDs的生長仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。目前，用于基礎(chǔ)研究和光電應(yīng)用的雙層及多層TMDs多來自于機(jī)械剝離法以及后處理方法，如：激光刻蝕、等離子體刻蝕和熱退火等，普遍存在產(chǎn)率低、層數(shù)和尺寸可控性差等問題。雖有少數(shù)工作采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備出雙層及多層TMDs，但仍存在晶體質(zhì)量差、尺寸和層數(shù)不可控等問題。”顧曉峰說。

 　　肖少慶介紹，要解決相關(guān)制備問題難度很大。根據(jù)生長動力學(xué)理論，雙層單晶的生長至少需要兩個(gè)不同溫度的生長階段來促使單層的垂直高階堆垛，但是在傳統(tǒng)CVD升溫階段過程中，對前驅(qū)反應(yīng)氣體的控制不良通常會導(dǎo)致形成不可控和不需要的成核中心，進(jìn)而顯著降低所制備晶體的質(zhì)量和可控性。

 　　“我們提出的一種具有普適性的氫氣輔助反向氣流化學(xué)氣相外延法，通過在升溫階段引入氫氣反向氣流并控制生長溫度梯度，不僅有利于減少外延生長時(shí)不需要、不可控的成核中心，而且有利于源自第一單層成核中心的第二單層的均質(zhì)外延。”肖少慶說，這種方法的效率遠(yuǎn)超機(jī)械剝離法和傳統(tǒng)的CVD方法，并在三層及多層單晶的逐層可控制備方面展現(xiàn)出巨大的潛力。同時(shí)，通過控制第二層的生長溫度可以得到不同堆垛的雙層TMDs單晶如AA堆垛和AB堆垛的二硫化鉬（MoS2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)AA堆垛的雙層MoS2具有比單層更高的場效應(yīng)管遷移率；通過采用多種源粉首次合成了MoWSSe四元合金雙層單晶，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其場效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出明顯的雙極性特征。

 　　據(jù)了解，這項(xiàng)研究為TMDs的大范圍逐層可控制備提供了一種可靠和通用的思路，為研究層與層之間的范德華力相互作用提供了良好的平臺，為實(shí)現(xiàn)過渡金屬硫?qū)倩衔锉∧ぜ捌洚愘|(zhì)結(jié)的按需可控制備打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，極大地提升了TMDs等二維半導(dǎo)體在谷電子學(xué)、光電傳感器，高性能電子器件、溝道材料、柔性薄膜電子/光電子器件的應(yīng)用潛力，有望推動我國新一代微電子和光電子行業(yè)以及新材料行業(yè)的發(fā)展。（過國忠）