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，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）