张艳锋课题组在单一取向MoS2条带阵列拼接制备单晶薄膜方面取得新进展

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近日，北京大学材料科学与工程学院张艳锋教授课题组基于基底台阶边缘诱导取向和晶格匹配诱导外延生长两种机制的协同作用，在具有高密勒指数、Au(111)单晶的近邻面上，实现了单一取向排列、单层MoS2条带的控制生长，通过完美拼接实现了晶圆级单层MoS2单晶薄膜的控制制备。相关工作以“Epitaxial growth of inch-scale single-crystal transition metal dichalcogenides through the patching of unidirectionally orientated ribbons”为题发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。
        在半导体器件的小型化大趋势下，单层半导体过渡金属硫属化合物（MX2: MoS2, WS2等）凭借天然的原子级厚度和优异的光电特性，被认为是延续摩尔定律的最佳候选材料之一。为了满足大面积集成电路对器件性能均一性的要求，实现晶圆尺寸MX2单晶薄膜或周期性单晶阵列的制备是当前亟需解决的关键科学和技术难题。目前，晶圆级MX2单晶薄膜的制备仍然面临巨大挑战，存在畴区取向不可控、孪晶晶界密度高、生长机理尚不清晰等问题。同时，周期性单晶阵列的制备仍主要采用“自上而下”的微纳加工法，这种技术不仅依赖于复杂昂贵的微加工设备和工艺，还需要大面积均匀连续MX2薄膜（或单晶）作为原材料，难以满足高性能器件的大面积集成要求。因此，可控合成晶圆尺寸MX2单晶薄膜或单晶阵列是领域内重要研究课题。
         现有二维MX2材料的制备大多依赖绝缘性的单晶和多晶衬底，对于其生长机理的理解往往借助非原位的表征技术和理论分析来完成。为更深入地理解晶圆级单晶MX2材料的外延生长机制，直接表征材料的生长过程和生长结果至关重要。扫描隧道显微镜/隧道谱（STM/STS）技术在表征二维材料的原子结构和局域电子性质，揭示二维材料与基底间的相互作用等方面具有独特优势，可以为二维材料生长机制的研究提供最为直观的实验依据。近年来，北京大学张艳锋课题组发展了基于多晶Au箔的二维半导体性MX2及其异质结构的直接制备体系，把原位高分辨表征技术（STM/STS）应用到材料生长的研究中，直接获取二维材料的原子尺度结构、与基底的晶格对应关系、局域电子结构，以及界面相互作用等信息。基于Au衬底表面的自限制生长机制，实现了畴区尺寸可调的单层MoS2的制备（ACS Nano 2014, 8, 10196; ACS Nano 2015, 9, 4017）以及二维层间异质结构（MoS2/Gr、MoS2/WS2和WS2/MoS2）的直接构筑（Adv. Mater. 2015, 27, 7086；Adv. Mater.2016, 28, 10664）。近期，该课题组发展了英寸级Au(111)单晶薄膜的制备方法，为外延单晶MX2薄膜提供了可选的金属单晶衬底。利用Au(111)台阶边缘的取向成核作用以及MoS2/Au(111)晶格匹配诱导的外延作用，首次实现了晶圆级单层单晶MoS2薄膜的外延生长（ACS Nano 2020, 14, 5036）。该工作为二维半导体材料的晶圆级外延生长提供了重要实验和理论指导，有力地推动了相关领域的发展。
          基于前期工作积累，近日，张艳锋教授课题组在单一取向单层MoS2条带的可控制备方面取得了新的进展。他们利用熔融-固化法将多晶Au箔转化成具有高密勒指数的Au(111)近邻面，以Au表面周期性排列的台阶作为生长模板，借助MoS2与Au(111)完美的晶格匹配和较强的界面相互作用，实现了单一取向单层MoS2条带的可控制备。此外，他们与清华-伯克利深圳研究院邹小龙教授（共同通讯作者）开展了理论计算方面的合作，探索了条带形MoS2生长的内在机制。理论模拟结果显示，不同前驱体比例(S/Mo)下，特定终止边缘（Mozigag与Szigzag）的演化是决定MoS2形貌的主要原因：随S/Mo比例降低，MoS2晶畴由三角形（全部为Mozigzag边缘）转变为条带形（两侧分别为Mozigzag和Szigzag边缘）。此外，他们还将获得的单层MoS2条带阵列作为场效应晶体管的沟道材料和电化学析氢反应的催化剂，均获得了优异的器件性能。他们还发现：通过延长生长时间，这些单一取向排列的单层MoS2条带可以逐渐展宽、融合，最终无缝拼接形成MoS2单晶薄膜。低能电子衍射（LEED）、透射电镜（TEM）和扫描隧道显微镜（STM）等表征手段均证实了薄膜的单晶特性。
         综上，该工作发展了金属衬底表面外延周期性MX2单晶条带阵列和晶圆级单层单晶薄膜的新方法，对于深入理解二维材料在绝缘或导电单晶衬底上的外延生长机制提供了新的思路，对于推动二维半导体的晶圆级制备，及其在高性能电子器件和能源转化等领域的实际应用具有重要意义。

半导体器件

单一取向MoS2条带阵列拼接制备单晶薄膜

          相关成果于2022年6月10日在线发表于学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上(DOI: 10.1038/s41467-022-30900-9)。论文通讯作者是张艳锋和邹小龙，北京大学博士生杨鹏飞、清华-伯克利深圳研究院博士后王大帅和北京大学材料科学与工程学院赵晓续研究员为共同第一作者。该研究得到了科技部国家重点研发计划、基金委杰青和基金委重大项目，以及广东省引进创新创业团队计划等的支持。


         文章来源：北京大学
         张艳锋,北京大学工学院百人计划特聘研究员、博士生导师，北京大学前沿交叉学科研究院特聘研究员，国家优秀青年科学基金获得者。中科院物理所博士(2005)，日本东北大学博士后、日本学术振兴会(JSPS)外国人研究员(2006-2009)。2010年受聘北京大学“百人计划”特聘研究员，加入北京大学工学院材料系至今。主要从事二维原子晶体材料的可控制备和精确表征、新奇物理化学特性的探索，以及在能源等领域的应用研究。在Science, Phys. Rev. Lett, Nano Lett.等杂志发表论文80余篇。曾获全国百篇优秀博士论文（2007），中科院杰出科技成就奖（2005）等奖项。回国后获得了国家重大科学研究计划“量子调控”项目、国家自然科学基金面上/重大项目、国家优秀青年科学基金等项目的资助。目前承担的科研项目包括：国家自然科学基金面上项目一项、全国百篇优秀博士论文获得者科研启动经费一项、国家重点基础研究发展计划“量子调控”项目两项（其中一项担任课题组长，一项为科研骨干），国家优秀青年科学基金一项。