高效CVD合成二维异质结构合成新技术！

【研究背景】

二维原子晶体（2DACs）是指厚度仅为单原子层的材料，如层状过渡金属硫化物（TMDs）。由于其在原子尺度下优异的电子性能（如载流子迁移率）和丰富的物理性质（如半导体、超导体、金属等），二维原子晶体已成为材料科学和纳米技术领域的研究热点。然而，二维原子晶体在实际应用中面临诸多挑战，如可控的合成厚度、均匀的横向尺寸、层间耦合、异质结构界面、晶体相和空间位置等问题。

有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋团队和湖南大学段曦东团队合作在合成技术方面做出了重要进展，尤其是化学气相沉积（CVD）技术的应用。近年来，研究者们致力于提升大面积单晶、二维横向和纵向异质结构、超晶格以及位置控制生长的可控性。尽管取得了显著进展，但仍存在挑战，例如晶圆级均匀性异质结构和超晶格的生长、在任意基底上周期性异质结构的位选择性生长、具有可控扭转角的同/异双层以及与先进集成电路工艺兼容的低温高质量二维异质结构的合成。为了克服这些挑战，必须深入理解和精确控制成核与生长过程。这些研究不仅推动了CVD合成技术的发展，也为设计量子光子器件、探索莫尔材料中的新量子现象（如Wigner晶体状态和Mott绝缘体）以及实现二维原子晶体在下一代电子和光电子应用中的潜力奠定了基础。

【科学亮点】

（1）实验首次通过化学气相沉积（CVD）合成大面积单晶二维原子晶体（2DACs）和其异质结构，取得了良好的厚度、横向尺寸和层间耦合的控制。这些实验成功地实现了大面积均匀的单晶生长，并扩展到二维横向和纵向异质结构及超晶格的合成。

（2）实验通过对二维原子晶体合成过程中的成核和生长过程的精确控制，取得了以下结果：

• 实现了大面积均匀的二维异质结构和超晶格，显示出较好的材料一致性和性能稳定性。

• 成功开发了在任意基底上周期性异质结构的位选择性生长技术，提高了材料的功能性和应用范围。

• 在低温条件下合成高质量的二维异质结构，兼容最先进的集成电路制造工艺，为未来电子器件的应用铺平了道路。

• 这些进展推动了量子光子器件的设计，探索了莫尔材料中的新量子现象（如Wigner晶体状态和Mott绝缘体），并为二维原子晶体在下一代电子和光电子设备中的应用奠定了基础。

【图文解读】

图1：CVD 合成二维 TMDs 和异质结构的挑战。

图2：2D 横向异质结构和超晶格的合成。

图3：二维垂直异质结构和莫尔超晶格的合成。

图4：二维垂直超晶格。

图5：位置控制生长。

【结论展望】

本文揭示了二维原子晶体（2DACs）及其异质结构在实际技术应用中的关键挑战和前沿进展。通过分析CVD合成技术的可控性、可扩展性和均匀性，本文突出了在实现大面积单晶、二维异质结构、超晶格以及位置控制生长方面的最新进展。这些进展不仅推动了2DACs材料的科学研究，也为其在量子光子器件和下一代电子光电子设备中的应用奠定了基础。

然而，尽管取得了显著进展，本文也指出了仍需解决的重大挑战，如晶圆级大面积均匀性生长、异质结构的位选择性生长、具有可控扭转角的双层合成以及与集成电路制造工艺兼容的低温合成。这些挑战要求对成核和生长过程有更深入的理解，并需要材料科学家、化学家和工程师的跨学科合作。克服这些挑战将推动二维原子晶体的进一步发展，开启量子现象的新探索，并实现其在新兴技术中的广泛应用。

原文详情：Li, J., Yang, X., Zhang, Z. et al. Towards the scalable synthesis of two-dimensional heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01989-8