研究背景
在過去二十年間，二維（2D）材料的研究領域經歷了顯著的發展與擴展，現已包含了近2000種理論預測和數百種實驗室可接近的物種。這一進展得益于材料制備技術的不斷提升，從機械剝離到溶液基剝離等多種方法的探索。其中，外延生長技術因其在各種基底上組裝原子或分子形成二維材料的能力，無需晶格匹配要求，并能精確控制成分和晶質，展示了制造大面積、高質量單晶薄膜的巨大潛力。二維材料的外延概念最早可以追溯到1960年代，當時John May在研究高溫金屬基底上的烴類時發現了未解釋的低能電子衍射圖案，認為這可能與‘單層石墨’的生長有關。1984年，Koma等人進一步引入了“范德瓦爾斯（vdW）外延”這一術語，用于描述在剝離的MoS2表面上制造亞納米NbSe2薄膜的技術。盡管最初的探索局限于表面物理學領域，并未引起廣泛關注，但隨著2004年石墨烯的發現和分離，這一領域開始經歷了翻天覆地的變化。石墨烯的發現激發了一系列關鍵性的技術突破，特別是在二維vdW材料的探索和外延生長方面。2009年，在銅箔上合成單層石墨烯標志著第一波浪的到來，隨后的十年見證了外延機制的深入研究，推動了單晶薄膜的工業化生產。隨后的浪潮涉及到二維六角硼氮化物（hBN）和過渡金屬二硫化物（TMDCs）的外延，最近更實現了英寸大小的單晶。此外，人工多層系統中的扭轉電子學和moire光子學等新現象推動了另一波浪，用于直接生長具有控制堆疊和扭轉角度的垂直同質結構。 然而，盡管二維材料外延的每一次進展都帶來了新的突破和機遇，但也伴隨著獨特的挑戰。例如，不同材料的晶格不匹配問題以及在大面積生長過程中可能出現的缺陷和雜質問題，都是需要克服的難題。為了解決這些挑戰，北京大學劉開輝團隊在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures”的最新綜述文章。本研究旨在系統總結二維vdW材料外延生長的最新技術路線，并探討了在平面方向和垂直方向上的關鍵科學問題和策略。首先，作者討論了在平面方向上單晶單層的外延生長，包括單域成核控制、多域取向控制以及缺陷質量控制。其次，作者深入探討了沿垂直方向生長二維材料的技術進展，包括均勻多層和扭轉同質結構的制備。通過這些探索和總結，本研究為未來優化二維材料的定制制備及其在工業應用中的設備制造提供了戰略方向和建議。
綜述亮點
（1）在二維材料研究領域，本綜述講述了通過機械剝離技術，成功地從體塊晶體中分離出石墨烯，開創了二維材料的新篇章。這一里程碑性的發現，為后續的二維材料研究和應用奠定了基礎。 （2）在材料制備技術的演進過程中，機械剝離技術以其高質量材料的優勢顯著。然而，面對大規模生產的挑戰，解決方法在于探索替代的溶液基剝離方法，雖然這可能會引入一些缺陷和雜質，但是能夠實現二維材料的可伸縮性制備。（3）在二維材料的外延生長技術中，范德瓦爾斯（vdW）外延技術因其無需晶格匹配的特點而備受關注。這種技術不僅能夠在各種基底上組裝原子或分子成為二維材料，還能精確控制材料的組成和晶質，展示出制備大面積高質量單晶薄膜的巨大潛力。（4）此外，通過對二維材料外延生長機制的深入研究，人們已經揭示了在平面方向上單晶單層的成核控制、多域取向控制以及缺陷質量控制等關鍵技術路線。在垂直方向上，研究人員也在探索如何制備均勻多層和扭轉同質結構，以進一步拓展二維材料在電子學和光電子學等領域的應用。
圖文解讀
圖1：二維2D 范德華 van der Waals，vDW材料及其同質結構外延生長的代表性進展。
總結展望
本文展示了二維范德瓦爾斯（vdW）材料外延生長的最新進展和挑戰。通過系統總結，作者看到外延生長技術從最初的單層平面單晶向復雜的垂直多層結構發展，為實現大面積、高質量的單晶薄膜提供了關鍵途徑。研究表明，石墨烯、六角硼氮化物（hBN）和過渡金屬二硫化物（TMDCs）等材料的工業化生產已經取得重要進展，尤其是在與硅技術的對接和擴展上。然而，二維材料在晶體質量、成分控制和生產收益率等方面仍面臨挑戰，例如高缺陷密度和復雜的成分調控需求。 面對這些挑戰，創新的外延策略和精確的原子級控制技術尤為關鍵，以實現二維材料的精準合成和功能化定制，推動其在半導體及更多超越摩爾應用中的廣泛應用。此外，建立系統性的材料性能數據庫和發展機器學習方法，將為未來二維材料研究和設備設計提供理論支持和實際指導。Liu, C., Liu, T., Zhang, Z. et al. Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01704-3
