新策略实现二维材料单晶大片制备！

【研究背景】

随着半导体技术的不断进步，二维（2D）材料因其原子级厚度、优异的物理性质和良好的加工兼容性引起了广泛关注。这些材料如MoS2和In2Se3，在电子器件中具有潜在的应用价值，但其性能往往受到晶界和晶体缺陷的显著影响。在单晶区域内，这些材料可以显著提高半导体器件的性能和一致性，因此，生长大面积的单晶2D材料成为一个紧迫的研究课题。

在单晶2D材料的生长方面，目前主要有两种方法：相变法和外延生长。相变法通过引入单晶种子，将大面积的2D多晶薄膜逐渐转变为单晶样品，这种方法已被应用于一些特定的2D材料。然而，在外延生长中，常用的基底包括具有3重或6重旋转对称性的表面原子层（如Cu、Al2O3等），用于生长单晶2D材料。当2D材料（如MoS2和h-BN）在3重对称的基底上生长时，由于基底表面暴露原子的影响，可能会出现两个局部最稳定的取向状态，这两个状态之间的结合能差异非常小。然而，这种小的能量差异容易受到化学气相沉积（CVD）过程中不可控动态的干扰，如气流不均和蒸汽分布不均，从而导致取向不一致。这一问题限制了单晶2D材料的实际应用。

为了解决这一问题，北京航空航天大学材料科学与工程学院副院长宫勇吉教授/张鹏助理教授、中国科学院深圳先进技术研究院丁峰研究员、北航材料学院汤沛哲教授团队合作在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Quasi-equilibrium growth of inch-scale single-crystal monolayer α-In2Se3 on fluor-phlogopite”的最新论文。本文提出了一种准平衡生长（QEG）策略，以α-In2Se3为例，合成了英寸级单层单晶薄膜。α-In2Se3作为一种层状铁电半导体，其室温铁电性使其在下一代电子器件中具有良好的应用前景，包括非易失性存储器（NVM）、铁电场效应晶体管（Fe-FETs）和神经形态计算等。作者选择了氟-富绿石作为基底，因为其裂解表面原子层与α-In2Se3具有相同的3重旋转对称性，这有助于促进α-In2Se3岛屿的均匀取向。通过利用半封闭环境、小源基底距离和液体中间状态，作者实现了QEG方法，确保了小的能量差异在动态过程中不被干扰，从而实现了在广泛的生长窗口内的稳定单取向外延生长。这一发现与作者的第一性原理计算结果一致，表明可以通过在氟-富绿石上的外延生长获得单取向的α-In2Se3单层。通过构建以α-In2Se3为通道材料和栅极的Fe-FETs，作者展示了在各种器件中出色的记忆性能，如大的滞后窗口、长时间保持和强健的循环耐久性。

【表征亮点】

1. 实验首次实现了在氟-富绿石基底上单层α-In2Se3的英寸级单晶外延生长。 该方法采用了准平衡生长（QEG）策略，成功合成了具有铁电性质的α-In2Se3单晶薄膜。氟-富绿石基底的裂解表面原子层与α-In2Se3具有相同的3重旋转对称性，有助于实现单取向的外延生长。

2. 实验通过准平衡生长（QEG）策略，克服了传统生长方法中小结合能差异易受动态过程干扰的问题， 实现了在较宽的生长窗口内的稳定单取向外延。QEG方法利用了半封闭环境、小源基底距离和液体中间状态，确保了生长过程中的小能量差异不被扰动，从而获得了高质量的单晶α-In2Se3薄膜。

3. 所得到的α-In2Se3单晶薄膜在铁电场效应晶体管中的表现优异，电子迁移率高达117.2 cm² V⁻¹ s⁻¹， 并展现出可靠的非易失性存储性能，具有长时间保持和强健的循环耐久性。这表明QEG方法在2D铁电材料和纳米电子学应用中具有重要的前景，为更大面积单晶2D材料的制备和应用提供了有效途径。

【图文解读】

图1：α-In2Se3薄膜的大面积合成。

图2：α-In2Se3薄片和氟金云母衬底的原子结构。

图3：晶圆尺度α-In2Se3单晶。

图4：. α-In2Se3非易失性铁电场效应晶体管（Fe-FET）器件的机理和性能。

图5：1L-α-In2Se3/1L-MoS2异质结构的制备和器件性能。

【结论展望】

研究提出的准平衡生长（QEG）策略突破了传统方法中小结合能差异对二维（2D）材料单取向生长的限制。通过精确控制生长环境，QEG策略能够在较宽的生长窗口内实现稳定的单取向外延生长，这为二维材料的大面积单晶制备提供了新的解决方案。这种方法不仅提高了材料的均匀性，还增强了其在实际应用中的性能表现。其次，氟-富绿石基底的选择展示了基底选择在材料生长中的关键作用。氟-富绿石的3重旋转对称性与α-In2Se3的对称性匹配，有效促进了材料的单取向生长，这一策略为二维材料基底的选择提供了新的思路。

原文详情：Si, K., Zhao, Y., Zhang, P. et al. Quasi-equilibrium growth of inch-scale single-crystal monolayer α-In2Se3 on fluor-phlogopite. Nat Commun 15, 7471 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51322-9