InfoMat: “我很想,很想长大”——且看二维材料如何实现高质量晶圆级生长

二维材料的载流子迁移和热传输被限制在二维平面内,其展现出许多不同于块体材料的物理化学性质(可调的带隙,量子限域效应,各向异性等),从而在诸多领域具有应用前景。然而,较多的晶界/缺陷和较小的晶体尺寸等硬伤成为二维材料走在触摸屏、射频器件、光伏器件、太阳能电池等电子和光电子应用道路上的绊脚石。因此,二维材料的“健康长大”对于发挥其在实际应用中的潜力至关重要,可以说是科学研究和工业生产中共同关注的目标,但目前仍是一项挑战。

近日,武汉大学付磊教授课题组在Wiley综合期刊InfoMat上发表了题目为“Vapor-phase growth of high-quality wafer-scale two-dimensional materials”的综述性文章。作者首先简要总结了合成高质量晶圆级二维材料的意义。然后,简介了制备二维材料的各种方法,并对这些方法进行了比较。其中,气相生长方法,尤其是化学气相沉积(CVD),被认为是一种可控制备高质量晶圆级二维材料的有效方法,并已经取得了一些进展。作者从气相生长的基元过程出发,总结了气相合成高质量晶圆级二维材料的有效策略,其中包括抑制成核、进化生长和无缝拼接。并且分别从这些策略的内在机制出发,分析总结了实验过程中一些具体有效的优化措施,比如从前驱体和基底设计,到生长参数(温度,压力等)的优化调控。其中定点投放前驱体,基底工程(单晶基底或液态基底)表现出极大的可行性,而进化生长是一种不依赖于基底的方法,无缝拼接是制备具有极少缺陷甚至是单晶的晶圆级二维材料的有效方法。然而,这个领域仍存在诸多挑战,基于现有研究,作者提出了一些可行性的建议:一、目前关于高质量晶圆级二维材料的制备集中在石墨烯上,而关于其他二维材料的高质量晶圆级制备尚不成熟,甚至还未实现,若能将制备高质量晶圆级石墨烯的策略拓展至其他二维材料,可以预期将会带来诸多新突破;二、液态基底表现出独特的优势,借鉴浮法玻璃技术有望实现规模化生产,目前有待开发更多类型的液态基底来实现更多二维材料的晶圆级制备;三、目前气相生长的温度较高,不利于大规模工业化生产,可以选取低分解温度的前驱体或者加入催化剂或促进剂来改变反应路径,降低反应势垒,从而降低生长温度,减少能耗;四、二维材料的转移过程也是生产和实际应用的关键桥梁,寻找更为清洁方便无损的转移方法极为重要。

为了真正将二维材料推广至实际应用,未来我们需要向着“单晶、晶圆级制备、低温、快速生长和无损转移”的目标一路披荆斩棘,让二维材料“健康成长”,早结梦想之果。我们相信这个领域尚大有可为。该综述可为该领域的科研工作者提供参考和借鉴。相关论文发表于近期的InfoMat.(DOI: 10.1002/inf2.12038)。