2025年7月9日，南京大學(xué)王欣然教授課題組在Nature Materials期刊在線發(fā)表題為“Homoepitaxial growth of large-area rhombohedral-stacked MoS?”研究論文。該成果報(bào)道了晶圓級(jí)菱方相（3R相）二硫化鉬（MoS?）的同質(zhì)外延生長，并展示了鐵電器件及存儲(chǔ)應(yīng)用。該成果標(biāo)志著二維材料可控制備的重要新進(jìn)展，為二維材料多功能異質(zhì)集成帶來新機(jī)遇。論文通訊作者是王欣然教授, 共同第一作者是劉蕾博士、李濤濤副教授、龔曉曙博士、溫恒迪博士。
二維半導(dǎo)體因其原子級(jí)厚度、高遷移率及三維集成兼容性，成為后硅時(shí)代延續(xù)摩爾定律和構(gòu)建三維集成電路的重要候選材料。王欣然教授課題組長期致力于二維過渡金屬硫族化物（TMDC）可控生長，在面內(nèi)取向控制、層數(shù)控制、及堆垛控制方面取得系列成果：創(chuàng)建TMDC定向外延生長理論，揭示藍(lán)寶石襯底表面原子臺(tái)階誘導(dǎo)的TMDC形核機(jī)制，確立定向外延關(guān)系，在國際上首次突破晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體單晶外延制備（Nature Nanotech., 16, 1201 (2021)）；提出臺(tái)階高度調(diào)控形核層數(shù)的思想，突破TMDC層數(shù)精確控制技術(shù)，首次制備出大面積均勻雙層MoS2（Nature, 605, 69 (2022)）。在該工作中，進(jìn)一步突破二維半導(dǎo)體的堆垛控制，實(shí)現(xiàn)3R堆垛MoS2可控制備，為物理特性調(diào)控和器件研究開辟了全新的研究維度。
在二維材料中，所謂“堆垛”指的是原子層之間的排列方式。如果把一層MoS2看作一張紙，堆垛就像一沓紙可以以不同的旋轉(zhuǎn)角度或不同的滑動(dòng)方式堆疊，不同的堆垛方式使得原子之間的相對(duì)位置發(fā)生改變，這在納米尺度上會(huì)顯著影響材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)。近年來備受關(guān)注的“魔角”（即層間小角度旋轉(zhuǎn)），被認(rèn)為是一種特殊的人工構(gòu)筑的堆垛形式。在自然界中，MoS?最常見的堆垛有兩種：六方相（2H）和菱方相（3R），后者因?yàn)槠淙狈χ行膶?duì)稱性，展現(xiàn)出卓越的非線性光學(xué)、谷電子學(xué)以及鐵電特性，特別適合用于構(gòu)建新型存儲(chǔ)器和光電子器件。然而，由于2H與3R結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上幾乎同等穩(wěn)定，在生長中難以嚴(yán)格控制堆垛方式，這是二維材料制備領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。
為攻克這一難題，研究團(tuán)隊(duì)使用同質(zhì)外延策略。采用高質(zhì)量單層單晶MoS?作為外延襯底，通過精準(zhǔn)調(diào)控過渡金屬前驅(qū)體濃度，成功實(shí)現(xiàn)了具有純3R相的多層MoS?晶圓的制備（圖1）。借助人工智能圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)堆垛結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別與統(tǒng)計(jì)分析，證實(shí)3R相所占比例接近100%。
圖1：晶圓級(jí)菱方相多層MoS?。
為深入揭示3R相選擇性形成機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合東南大學(xué)王金蘭教授團(tuán)隊(duì)開展理論計(jì)算。結(jié)果表明，晶體缺陷中的Mo替位S缺陷（MoS）可將兩種堆垛的形成能差值從1 meV/MoS2顯著提升至75 meV/MoS?。實(shí)驗(yàn)上，團(tuán)隊(duì)聚焦形核初期階段，采用高分辨率STEM對(duì)<10 nm的團(tuán)簇進(jìn)行觀測，證實(shí)MoS缺陷對(duì)3R選擇性生長的促進(jìn)作用（圖2）。基于理論與實(shí)驗(yàn)的交叉驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)提出了同質(zhì)外延中的缺陷促進(jìn)選擇性形核的生長機(jī)制。這一理論的提出，為二維材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了全新的機(jī)制與思路，為該領(lǐng)域的研究帶來了新的突破與希望。
圖2：菱方相MoS?生長機(jī)理。
此外，該工作還深入揭示了3R-MoS?所表現(xiàn)出的滑移鐵電性（圖3）。實(shí)驗(yàn)利用壓電力顯微鏡（PFM）明確觀測到鐵電疇及明顯的壓電響應(yīng)回滯曲線，并構(gòu)建了以雙層3R-MoS?為溝道材料的超薄鐵電晶體管陣列。盡管溝道材料厚度僅為1.3 nm，其仍表現(xiàn)出超過十年的數(shù)據(jù)保持能力、優(yōu)異的電導(dǎo)特性以及16位多態(tài)寫入能力，為未來高密度、低功耗、非易失存儲(chǔ)器件的發(fā)展注入了新動(dòng)能。
圖3：菱方相MoS?的鐵電性。
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https://doi.org/10.1038/s41563-025-02274-y
