2025年7月9日，南京大学王怅然教授课题组联合姑苏试验室、东南大学等单位，报导了晶圆级菱方相（3R相）二硫化钼（MoS₂）的同质外延成长，并展现了铁电器材及存储运用。该效果标志着二维资料可操控备的重要打破，为二维资料多功能异质集成带来新机遇。
二维半导体因其原子级厚度、高迁移率及三维集成兼容性，成为后硅年代连续摩尔定律和构建三维集成电路的重要候选资料。王怅然教授课题组长时间致力于二维过渡金属硫族化物（TMDC）可控成长，在面内取向操控、层数操控、及堆垛操控方面获得系列效果：创立TMDC定向外延成长理论，提醒蓝宝石衬底外表原子台阶诱导的TMDC 形核机制，建立定向外延联系，在世界上初次打破晶圆级二维半导体单晶外延制备 (Nature Nanotech., 16, 1201 (2021))；提出台阶高度调控形核层数的思维，打破TMDC 层数准确操控技能，初次制备出大面积均匀双层MoS₂（Nature, 605, 69 (2022))。在本作业中，进一步打破二维半导体的堆垛操控，完结3R堆垛MoS₂可操控备，为物理特性调控和器材研讨拓荒了全新的研讨维度。
在二维资猜中，所谓“堆垛”指的是原子层之间的摆放方法。如果把一层MoS₂看作一张纸，堆垛就像一沓纸可以以不同的旋转视点或不同的滑动方法堆叠，不同的堆垛方法使得原子之间的相对方位发生改动，这在纳米标准上会显着影响资料的电子结构与物理性质。近年来十分重视的“魔角”（即层间小视点旋转），被认为是一种特别的人工构筑的堆垛方法。在自然界中，MoS₂最常见的堆垛有两种：六方相（2H）和菱方相（3R），后者因为其缺少中心对称性，展现出杰出的非线性光学、谷电子学以及铁电特性，很合适用于构建新式存储器和光电子器材。但是，因为2H与3R结构在热力学上简直平等安稳，在成长中难以严控堆垛方法，这是二维资料制备范畴的严重应战之一。
为霸占这一难题，研讨团队运用同质外延战略，选用高质量单层单晶MoS₂作为外延衬底，经过精准调控过渡金属前驱体浓度，成功完结了具有纯3R相的多层MoS₂晶圆的制备（图1）。凭借人工智能图像辨认技能，对堆垛结构进行自动化辨认与统计分析，证明3R相占比挨近100%。从微观到微观标准，经过截面和平面扫描透射电子显微镜（STEM）、超低频拉曼光谱和二次谐波发生（SHG）等多手法对制备的多层MoS₂进行堆垛表征，全面验证了所制资料的3R相一致性。
为深化提醒3R相选择性构成机制，研讨团队联合东南大学王金兰教授团队展开理论核算。依据效果得出晶体缺点中的Mo替位S缺点（Mos）可以有用打破2H与3R相的能量简并状况，从而在热力学层面促进3R堆垛优先形核成长。试验上，团队聚集形核初期阶段，选用高分辨率STEM对10 nm的团簇进行观测，证明Mos缺点对3R选择性成长的推进效果（图2）。根据理论与试验的穿插验证，团队提出了同质外延中的缺点促进选择性形核的成长机制，这一理论的提出，为二维资料的结构调控供给了全新的思路。
在器材运用方面，该作业展现了3R-MoS₂的滑移铁电性能（图3）。试验使用压电呼应力显微镜（PFM）明晰观测到资猜中的铁电畴结构及显着的压电呼应回滞曲线R-MoS₂沟道的超薄铁电晶体管阵列。器材在搬运特性曲线中出现显着的逆时针回滞行为，进一步印证其非易失铁电调控才能。虽然沟道资料厚度仅为1.3 nm，其仍表现出超越十年的数据坚持才能、优异的电导特性及16位多态写入才能，为未来高密度、低功耗、非易失存储器材的三维异质集成供给了或许。
该效果以 “Homoepitaxial growth of large-area Rhombohedral-stacked MoS₂”为题宣布在世界学术期刊《Nature Materials》。该研讨作业由南京大学和姑苏试验室牵头完结。论文一起榜首作者包含电子科学与工程学院2019级博士生刘蕾（现任姑苏试验室博士后）、集成电路学院李涛涛副教授、东南大学博士生龚晓曙及电子科学与工程学院2021级博士生温恒迪。王怅然教授为论文通讯作者，东南大学王金兰教授在本作业中给予了重要支撑与协助。研讨得到了国家重点研制方案、国家自然科学基金、江苏省前沿引领技能基础研讨专项等项目的赞助，以及新柱石科学基金会科学探究奖和雅辰基金对本研讨的支撑。
