研究背景
二維原子晶體（2DACs）是指厚度僅為單原子層的材料，例如層狀過(guò)渡金屬硫化物（TMDs），因其優(yōu)異的電子性能和獨(dú)特的物理性質(zhì)而成為了研究熱點(diǎn)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，二維原子晶體面臨一系列挑戰(zhàn)，如合成過(guò)程中厚度、尺寸的可控性、層間耦合、異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面、晶體相和空間位置的精準(zhǔn)控制等。尤其是大面積均勻性異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格的晶圓級(jí)生長(zhǎng)、任意基底上的周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的位選擇性生長(zhǎng)以及低溫下高質(zhì)量二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成，都存在顯著困難。有鑒于此，湖南大學(xué)段曦東團(tuán)隊(duì)、加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒團(tuán)隊(duì)等人通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)改進(jìn)二維原子晶體的合成控制，嘗試解決這些問(wèn)題。他們發(fā)現(xiàn)，二維材料制備在大面積單晶、二維橫向和縱向異質(zhì)結(jié)構(gòu)、超晶格以及位置控制生長(zhǎng)方面取得了一定的進(jìn)展。這些研究不僅推動(dòng)了二維材料領(lǐng)域的快速發(fā)展，還為實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而，盡管取得了顯著進(jìn)展，依然需要進(jìn)一步突破合成過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，以滿足未來(lái)在量子光子器件、新量子現(xiàn)象探索及下一代電子光電子應(yīng)用中的需求。以上成果在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Towards the scalable synthesis of two-dimensional heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking”的最新綜述論文。
本文亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)指出，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了大面積單晶二維原子晶體（2DACs）的合成，得到了均勻的層狀結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量的單晶材料。通過(guò)改進(jìn)化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，成功制備了大面積、單層厚度的二維材料，展現(xiàn)出優(yōu)異的電子性能和結(jié)構(gòu)一致性。2. 研究人員能夠精確調(diào)控異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層間耦合、界面質(zhì)量和晶體相，成功制造出高質(zhì)量的二維超晶格和位置控制生長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這些進(jìn)展推動(dòng)了二維材料在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展，但仍面臨挑戰(zhàn)，如晶圓級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的均勻生長(zhǎng)、位選擇性生長(zhǎng)和低溫下的高質(zhì)量合成等問(wèn)題。3. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)綜合材料科學(xué)、化學(xué)和工程領(lǐng)域的知識(shí)，推動(dòng)了二維材料的合成技術(shù)向前發(fā)展，揭示了在可控性、可擴(kuò)展性和均勻性方面的關(guān)鍵問(wèn)題。這些研究為設(shè)計(jì)量子光子器件、探索莫爾材料中的新量子現(xiàn)象（如Wigner晶體狀態(tài)和Mott絕緣體）以及實(shí)現(xiàn)下一代電子和光電子應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
圖文解讀
圖1：CVD 合成二維 TMDs 和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)。圖2：2D 橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格的合成。圖3：二維垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)和莫爾超晶格的合成。
結(jié)論展望
本文揭示了控制CVD合成過(guò)程中的關(guān)鍵因素對(duì)于推進(jìn)完全二維原子晶體（2DACs）及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在實(shí)際技術(shù)應(yīng)用中的重要性。通過(guò)對(duì)二維原子晶體合成的進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，作者認(rèn)識(shí)到，實(shí)現(xiàn)大面積均勻性、精確控制層間耦合、異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面和晶體相的調(diào)控，是推動(dòng)這一領(lǐng)域向前發(fā)展的核心。盡管已有顯著進(jìn)展，但諸如大面積異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格的均勻生長(zhǎng)、在任意基底上選擇性生長(zhǎng)周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)、控制扭轉(zhuǎn)角的雙層合成以及與集成電路工藝兼容的低溫合成等挑戰(zhàn)，仍需克服。 未來(lái)的研究需要跨學(xué)科合作，結(jié)合材料科學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)的知識(shí)，深入理解和精確控制二維材料的成核和生長(zhǎng)過(guò)程。只有這樣，才能有效推進(jìn)二維原子晶體在量子光子器件、新量子現(xiàn)象探索以及下一代電子和光電子設(shè)備中的應(yīng)用。這不僅推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)的前沿發(fā)展，也為實(shí)際應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。Li, J., Yang, X., Zhang, Z. et al. Towards the scalable synthesis of two-dimensional heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking. Nat. Mater. (2024).https://doi.org/10.1038/s41563-024-01989-8
