刘开辉教授课题组在绝缘衬底上晶圆级二维单晶制备新机理研究中取得重要进展

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北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室刘开辉教授课题组与合作者提出双耦合协同调控的全新生长机理，在蓝宝石衬底上成功制备2 in（英寸）单层单晶二硫化钨（WS2），为基于绝缘衬底的二维单晶材料制备提供了通用技术，有望推动二维材料在电子、光电子以及谷电子学器件等方向的应用。2021年11月15日，相关研究成果以“双耦合协同调控实现近邻a面蓝宝石衬底上晶圆级单层单晶二硫化钨的外延生长”（Dual-coupling-guided epitaxial growth of wafer-scale single-crystal WS2 monolayer on vicinal a-plane sapphire）为题，在线发表于《自然·纳米科技》（Nature Nanotechnology）。
        近年来，随着传统硅基芯片制程不断缩小且集成度不断提高，短沟道效应和热效应日趋显著，现有电子器件的运行速度和性能已接近硅基材料极限，对新型材料及器件的探索与研究显得尤为关键。二维材料具有超快响应速度、高电子迁移率等优异的物理特性和完备的电学功能；同时，由于其天然具备原子层极限厚度和平面结构，与当代微纳加工工艺相兼容，有望推动新一代量子材料技术应用的变革。与硅基芯片依赖于晶圆级单晶硅锭制备相似，实现二维材料芯片级应用须以大尺寸、高质量的二维单晶制备为基础。然而，由于难以消除非平行晶畴和缺陷晶界，如何在绝缘衬底上外延生长出晶圆级二维过渡金属硫族化物是亟待解决的关键难题。
       自2016年以来，北京大学物理学院刘开辉教授、王恩哥院士和俞大鹏院士等围绕大尺寸二维单晶材料制备展开新机理探索和核心技术攻关，提出并发展了一套金属衬底上米级二维单晶的通用原子制造技术，实现了石墨烯单晶的超快生长（Nature Nanotechnology 2016, 11, 930; Nature Chemistry 2019, 11, 730）、米级单晶石墨烯的外延制备（Science Bulletin 2017, 62, 1074）、百平方厘米级单晶氮化硼薄膜制备（Nature 2019, 570, 91）以及30余种A4尺寸高指数单晶铜箔库的制备（Nature 2020, 581, 406）。与金属衬底相比，绝缘衬底和二维材料之间的耦合作用非常弱，因此在绝缘衬底上实现二维晶畴的取向控制异常困难，目前低维物理领域内绝缘衬底上的二维单晶通用制备进展有限。
        近期，刘开辉与韩国基础科学研究院丁峰教授、复旦大学吴施伟教授、北京理工大学赵芸副教授、华南师范大学徐小志研究员等合作，提出二维材料与绝缘衬底面内范德华耦合作用和台阶相互作用的双耦合协同调控新机理（见下图），实现了2 in（英寸）单层单晶WS2的外延制备。这一生长机理的关键物理思想在于：一方面，WS2和蓝宝石衬底间的范德华相互作用将WS2晶畴的优势取向限制为0°与180°；另一方面，WS2和蓝宝石台阶间的相互作用可以打破两个取向的能量简并性，从而使WS2晶畴只保留一个优势取向。联合研究团队发现该机理也适用于其他二维单晶材料的制备，并在a面蓝宝石衬底上同时实现了单晶MoS2（二硫化钼）、WSe2（二硒化钨）和MoSe2（二硒化钼）的外延生长。系列研究成果将有望推动二维过渡金属硫族化物在电子、光电子以及谷电子学器件等方向的应用。

单晶WS2

通过双耦合协同调控实现晶圆级单层单晶WS2生长

        这项刊登于《自然·纳米科技》的成果由北京理工大学-北京大学联合培养2017级博士研究生王金焕、华南师范大学徐小志研究员、北京大学-韩国基础科学研究院联合培养2021届博士毕业生程婷、复旦大学2021届博士毕业生顾乐华为共同第一作者；刘开辉、丁峰、吴施伟和赵芸为共同通讯作者。
        上述研究工作得到国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、北京市自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项，以及量子物质科学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心和北京大学电子显微镜实验室等支持。


      文章来源：北京大学
      刘开辉,博士，北京大学物理学院研究员、博士生导师。刘博士本科毕业于北京师范大学物理学系（2004）；博士毕业于中科院物理所（2009）；2009-2014在美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后研究工作；2014年初回北京大学工作；2015年加入北京大学纳米化学中心。刘博士的主要研究方向是：低维纳米材料结构与物理。主要研究手段是：发展单个纳米材料单元水平的透射电镜原位测量技术、超高灵敏度超快纳米光学技术，以研究单个纳米材料的结构和性质的直接对应关系，从而揭露低维凝聚态物理中的新颖规律。目前刘博士把该技术成功应用到一维模型体系的碳纳米管、二维模型体系的原子层MoS2，取得了一些具有影响的科研成果。刘博士发表SCI论文20余篇，其中包括第一作者或者通讯作者的Nature Nanotechnology(2篇), Nature Physics, Nature Communications(2篇), PNAS, JACS, Nano Letters, PRB, APL。