蓝宝石大面积生长2D材料的新工艺

受石墨烯卓越特性的启发，科学家们越来越多地致力于探索其他二维材料，无论是在自然界中发现的，还是实验室中合成的都成了研究的热点。然而，事实上大面积生长高质量的结晶二维材料是一个重大的挑战。

最近，宾夕法尼亚州立大学和伦塞拉理工学院的合作成立的研究团队开发了一种有效的多步骤工艺，可用于在大面积蓝宝石衬底上制备二烯化钨单晶薄膜。该团队由二维晶体联合会材料创新平台主任、宾州材料科学和工程及电气工程教授琼•瑞德温领导。

以气源化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备大尺寸的原子状2D薄膜示意图

图像来源：宾夕法尼亚州立大学，张笑天。

Redwing说：“到目前为止，大多数2D器件都是用大块晶体切割出小薄片制造的，然而，要想开发出一种高效的器件制备技术，你必须能够在大面积衬底上制造器件，而且它们必须具有良好的性能。”

该团队开发的这种新工艺是一种以蓝宝石为衬底进行外延生长，蓝宝石的晶体结构决定了二硒化钨薄膜的生长方向，从而形成了一种特殊的晶体形态。最初，衬底上形成了二烯化钨的小岛屿。当衬底加热时，这些岛以均匀的方式分布在基片上，形成一种无间隙的大面积薄膜。这一工艺的关键步骤是利用气源化学气相沉积精确控制岛密度和扩散速率，实现了二维材料的单层化。

Redwing和她的团队将她们的成果发表于杂志Nano Letters。而另一篇与其相近发表在杂志ACS Nano上的论文（由宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程副教授Joshua Robinson领导的一个研究小组发表），为未来的工业规模电子学，基于外延大面积薄膜的器件制备合成2D半导体，提供了概念性的解释。

Robinson说：“我们这项工作的主要意义在于，能够让人们理解获得高质量2D材料的外在因素；我们发现，即使你能够在表面生长定向晶体，也有其他因素影响其电子迁移率或晶体管的灵敏度。”尤其值得关注的是，我们发现蓝宝石基片和单层膜之间有着强烈的相互作用，基片主导了薄膜的性能。为了克服这些问题，研究人员制备了两到三层的薄膜，这使得薄膜中电子的迁移率提高了20到100倍。这是第一次真正证明衬底对2D层的传输特性的影响。”