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近日，东大物理学院科研团队

一项科研成果

在线发表于Nature

文章报道了

二维材料的层数可控生长机理方面

的重要进展

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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 < 1 nm)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。

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]。

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。

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。

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通讯员 | 马亮

编辑 | 范文俊