王金兰、马亮等在材料多尺度模拟团队在二维材料的层数可控生长机理方面取得进展

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近日，东南大学物理学院王金兰教授、马亮教授材料多尺度模拟团队在二维材料的层数可控生长机理方面取得了重要进展，与南京大学王欣然教授实验团队合作实现了厘米级均匀双层MoS2薄膜的层数可控外延生长，成果以“Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire”为题，5月4日在线发表于Nature。
       人工智能、自动驾驶等新兴产业数字化、智能化需求的爆发式增长，推动了微电子芯片集成度的不断提高。目前硅基半导体晶体管微缩工艺已推进至5nm节点及以下，并逐渐逼近其物理极限。晶体管尺寸的进一步微缩迫切需要基础材料的创新与突破。近年来，以MoS2为代表的二维半导体材料(厚度<1nm)同时兼具高迁移率、超大比表面积、柔性、平面易集成等特点，被视为后硅基半导体时代延续摩尔定律的理想候选材料之一，获得了极大关注和迅速发展。与单层MoS2相比，多层 MoS2具有更高的载流子迁移率，能够提供更大的驱动电流，在场效应晶体管(FETs)等电子器件中具有更加显著的应用优势与前景。然而，目前多层MoS2大面积均匀薄膜的层数可控外延生长极具挑战性，是困扰已久的二维材料研究前沿难题。

双层MoS2

图1. 单、双层MoS2生长的热力学竞争趋势。

         王金兰、马亮团队基于多尺度模拟建立了外延衬底上多层MoS2生长的热力学竞争模型，发现由于衬底与MoS2的表面强相互作用，致使传统的表面外延生长方法只能通过逐层生长的模式获得多层MoS2，受限于生长时长的不一致和成核位点的随机分布，从而导致了多层MoS2的层数均匀性差和薄膜不连续等问题。团队在前期与实验课题组合作开展的利用外延衬底台阶边缘实现MoS2单取向成核与大面积（2英寸）单层单晶生长的工作基础上[Nat. Nanotechnol., 2021, 16, 1201]，提出了利用外延衬底高台阶与多层MoS2的界面强相互作用，突破传统的逐层生长模式，实现了多层MoS2的层数可控成核与生长[Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202201402]。特别的，团队通过计算模拟指出蓝宝石c面六层台阶(~1.4 nm)与双层MoS2厚度匹配，存在较强的界面相互作用，能够引导双层MoS2上下两层的同时成核与肩并肩生长。

双层MoS2

图2. 台阶引导的双层MoS2生长机制。

         基于这一机制，团队与王欣然教授课题组合作实现了厘米级均匀双层MoS2层数可控外延生长。基于双层MoS2通道的场效应晶体管(FET)器件，在迁移率(高达122.6 cm2 V−1 s−1)和电流密度(1.27 mA μm-1)方面，相比于单层MoS2的FET器件有了显著的改善，并超过了高性能FETs的2028路线图目标。
物理学院马亮教授为本文共同一作（理论第一）和共同通讯作者，博士研究生董瑞康为共同一作，王金兰教授为共同通讯作者。该工作东南大学部分受到了国家重点研发计划和国家自然科学基金重点/青年项目和江苏省“双创人才”等项目和人才计划的资助。
        论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04523-5


        文章来源：东南大学
       王金兰，教授、博士生导师、国家杰出青年获得者、国务院政府特殊津贴专家。2002年获得南京大学博士学位，随后在美国Argonne国家实验室化学部从事博士后研究。2005年底由东南大学引进，2015年获国家杰出青年基金。长期从事新材料的多尺度模拟与理论设计工作，先后承担多项国家自然科学基金与国家重点研发计划项目，在二维材料的生长与物性调控、机器学习预测新材料等方面取得了重要进展。发表SCI论文近200篇，影响因子10以上论文30余篇、其中Science 1篇、Nat. Commun. 7篇、J. Am. Chem. Soc. 7篇、Angew. Chem. Int. Ed. 5篇、Adv. Mater/Nano Lett 10篇。引用超过7000次，连续五年入选“Elsevier中国高被引学者名单（2014-2018）”。
        马亮，教授，博导。2009年本科毕业于东南大学物理系，2015年毕业于东南大学物理系凝聚态物理专业，获博士学位，2015年3月至2018年9月在美国内布拉斯加大学林肯分校做博士后研究，2018年11月加入东南大学物理学院。主要从事二维材料生长机理与物性调控的多尺度模拟研究，在表、界面作用耦合的二维材料可控生长/蚀刻机制及二维材料物性调控与理性设计方面取得了系统的原创性研究成果。已发表SCI学术论文46篇(20篇IF >10)，其中以第一/共一/(共同)通讯作者身份在Nature, Nat. Nanotechnol., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett., J. Phys. Chem. Lett.等国际期刊发表论文20篇。2篇论文被选为期刊封面热点，1篇入选ESI高被引。论文引用超过1800余次，H指数23。曾获全国青年计算物理优秀论文奖(2012)和江苏省优秀博士学位论文(2016)，入选江苏省“双创人才”(2021，主持)、“双创团队”(2020，研究骨干)等人才/团队资助计划。