Advanced Materials: 大尺寸二维单晶设计生长的研究进展

近年来,人工智能、互联网+等新技术的兴起对硬件的算力、能耗提出了新的要求。然而,随着传统硅基芯片制程的不断缩小,短沟道效应、热效应日趋显著,严重阻碍了硅基芯片的进一步发展。与此同时,基于全二维材料的量子器件在兼具极限尺寸和优异性能的同时,与传统硅基器件微加工工艺兼容,且基本器件组成单元完备,非常有望能在较短时间内实现全新功能器件领域的技术性突破,是当下各国竞相追逐的研究热点。

与硅基芯片依赖于晶圆级单晶硅锭相似,大尺寸二维单晶制备已成为高度集成二维器件规模应用的核心关键。单晶材料本身可以避免由晶界、缺陷所带来的性能劣化,同时大尺寸单晶可以保证器件性质高度一致。然而,目前只有石墨烯、六方氮化硼实现了大尺寸单晶的可控制备,其它二维材料的单晶尺寸仍十分有限。因此,对现有的二维单晶控制生长技术进行系统性的梳理和展望,具有重要的科学意义。

有鉴于此,北京大学刘开辉课题组总结了设计生长大尺寸二维单晶研究的最新进展。该综述基于单晶生长的四个关键因素:1)控制成核,包括限制成核密度、控制单核长大等;2)加快生长速度,包括降低反应的能量势垒、促进前驱体分解和边缘原子吸附等;3)衬底表面调控,主要为衬底表面对称性对二维单晶生长的影响;4)产物单一相控制,展示了过渡金属硫族化合物的高纯相生长和诱发相变的多种手段。最后,作者对二维单晶设计生长和潜在应用的发展趋势进行了总结与展望。

相关论文以“Designed Growth of Large-Size 2D Single Crystals”为题,于近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202000046)上。