晶圆级二维半导体堆垛调控新打破

来源：星空体育APP网站发布时间：2025-07-15 06:31:36

）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。论文通讯作者是王怅然教授；一起榜首作者是刘蕾博士、李涛涛副教授、龚晓曙博士、温恒迪博士。

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，在国际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)）。在该作业中，进一步打破二维半导体的堆垛操控，完成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，堆垛就像一沓纸能够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产生改动，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，成功完成了具有纯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相所占份额挨近100%。

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。依据成果得出，晶体缺点中的Mo替位S缺点（MoS）可将两种堆垛的构成能差值从1 meV/MoS2显着提升至75 meV/MoS2。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机制与思路，为该范畴的研讨带来了新的打破与期望。

此外，该作业还深化提醒了3R-MoS2所表现出的滑移铁电性（图3）。试验使用压电力显微镜（PFM）清晰观测到铁电畴及显着的压电呼应回滞曲线为沟道资料的超薄铁电晶体管阵列。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、非易失存储器材的开展注入了新动能。