图 二维半导体材料二维熔融限域生长法

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52225206、51991340）等资助下，北京科技大学张跃院士和张铮教授团队在二维单晶材料规模化生长方面取得进展。相关研究成果以“二维柴可拉斯基法生长单晶二硫化钼（Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS₂）”为题，于2025年1月10以封面文章的形式发表于《自然·材料》（Nature Materials），论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-02069-7。

　　随着集成电路尺寸不断微缩，传统硅基晶体管正面临电输运性能下降、泄漏电流陡增等关键挑战，亟待研发新型沟道材料支撑后摩尔时代集成电路快速发展。以二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）为代表的二维半导体材料不仅在极限尺寸下电输运特性优异，而且具有出众的静电调控特性，可有效克服硅基晶体管中的短沟道效应问题，成为后摩尔时代电子器件的重要候选材料。然而，传统的化学气相沉积（CVD）方法制备的二维TMDCs材料存在着晶畴尺寸小、形核密度高、缺陷密度大、生长速率慢等问题，难以满足集成电路应用需求。

　　张跃院士团队提出一种创新的二维熔融限域生长法（Two-dimensional Czochralski growth），成功实现了厘米级单层单晶二硫化钼（MoS₂）的快速高质量制备。该策略区别于常规多点形核定向拼接的单晶生长方法，利用高温熔融玻璃对钼源前驱体的铺展作用，通过二维熔融前驱体限域生长实现快速且仅沿二维方向的晶体生长，成功生长出尺寸高达1.5 cm的单层MoS₂单晶晶畴，远超已报道的最大单晶晶畴尺寸。该技术基于“液-液界面”上的“固-液-固结晶”过程，极大地降低了衬底表面的形核密度，促进晶体仅沿二维面内方向结晶生长，最终成功实现了生长速率超过75 μm s-1的快速单晶生长，该生长速率明显高于已报道的二维MoS₂生长方法。采用该方法制备的单层MoS₂具有极高的均一性和超低缺陷密度（约为2.9×10¹² cm⁻²），构筑的晶体管阵列平均迁移率高达55 cm² V⁻¹ s⁻¹。这表明所制备的MoS₂质量优异，能够满足高性能电子器件的需求。此外，该团队还验证了此项技术在2英寸单层MoS₂晶圆生长的可行性，为未来的工业化生产奠定了基础。

　　该研究通过二维熔融限域生长法，获得了高质量、大尺寸的单晶MoS₂材料，有望加速二维半导体材料在集成电路领域从基础研究向实际应用的转变。