2021年11月15日，松山湖材料实验室/北京大学刘开辉研究员、王恩哥院士团队与合作者，在顶级学术期刊Nature Nanotechnology上发表了题为“Dual-coupling-guided epitaxial growth of wafer-scale single-crystal WS₂ monolayer on vicinal a-plane sapphire”的研究论文，首次提出“双耦合协同调控”的全新生长机理，成功在蓝宝石衬底上实现了2英寸单层单晶二硫化钨（WS₂）制备。

近年来，随着传统硅基芯片制程不断缩小以及集成度不断提高，短沟道效应和热效应日趋显著，现有电子器件的运行速度和性能已接近硅基材料极限。对新型材料及器件的研究探索是解决上述问题的关键所在。二维材料种类丰富，涵盖导体、半导体、绝缘体、磁性材料等电子器件基本构成单元，展现出超快响应速度、高电子迁移率等优异的物理特性和完备的电学功能；同时，其天然具备原子层极限厚度和平面结构，与当代微纳加工工艺相兼容，在诸多候选材料中脱颖而出，有望带来新一代量子材料变革性技术应用。和硅基芯片依赖于晶圆级单晶硅锭制备相似，实现二维材料芯片级应用必须基于大尺寸、高质量的二维单晶制备。然而，由于难以消除非平行晶畴和缺陷晶界，如何在绝缘衬底上外延生长出晶圆级二维过渡金属硫族化物是领域内亟待解决的关键难题。

与金属衬底不同，绝缘衬底和二维材料之间的耦合作用非常弱；因此，在绝缘衬底上实现二维晶畴的取向控制异常困难。研究团队经过深入探索，提出二维材料与绝缘衬底面内范德华耦合作用和台阶相互作用的“双耦合协同调控”新机理，实现了2英寸单层单晶WS₂的外延制备。“双耦合协同调控”机理的关键物理思想在于：WS₂和蓝宝石衬底间的范德华相互作用将WS₂晶畴的优势取向限制为0°与180°；WS₂和蓝宝石台阶间的相互作用可以打破2个取向的能量简并性，从而使WS₂晶畴只保留1个优势取向。课题组研究发现，这种“双耦合协同调控”生长机制也适用于其他二维单晶材料的制备，在a面蓝宝石衬底上同时实现了单晶MoS₂、WSe₂和MoSe₂的外延生长。该成果将有望推动二维过渡金属硫族化物在电子器件、光电子器件以及谷电子学器件等方向的应用。该研究成果得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划的大力支持。

“双耦合协同调控”实现晶圆级单层单晶WS₂生长

撰稿：轻元素先进材料与器件团队