2017 年，作为下一代晶体管沟道材料，二维半导体被纳入国际半导体器件与系统路线图（IRDS，International Roadmap for Devices and Systems）。
根据最新技能路线的预测：二维芯片技能将于 2034 年正式实现商业化，从而提升“后摩尔时期”集成电路性能。
作为一种二维半导体材料，二硫化钼凭借多种优点成为办理硅基器件微缩瓶颈、以及构筑集成度更高、速率更快、功耗更低的下一代新型芯片的空想材料。
为了实现二维半导体全部潜力及其在高性能芯片上的运用，非常有必要在通用商业衬底上，以可控的办法合成二维半导体单晶晶圆。
针对此，一些国际领先的材料成长课题组，都把这一问题作为主要课题进行攻关，并已经在二维半导体单晶晶圆的制备上取得系列进展 [1]。
然而，目前二维半导体单晶晶圆的制备，紧张依赖衬底台阶工程策略。这常日须要对基底进行分外设计，比如精心地设计斜切角、或在苛刻的高温环境下进行退火处理等。
与此同时，目前对二维半导体单晶晶圆的成长机理还存在很大争议。
因此，如何在通用商业衬底上，以可控办法合成二维半导体单晶晶圆，对付深化理解成长机理和推动实际运用至关主要。
海内团队深耕二维材料研究，连续数年研发多项成果
针对上述问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中央的张广宇研究员和杜罗军研究员等人，基于前期在高质量二维二硫化钼晶圆外延成长方面的成果 [2]，提出了一种界面缓冲层掌握的新策略。
图 | 张广宇（来源：资料图）
即通过精确地掌握先驱体的比例，调控低对称界面缓冲层的形成及成长动力学，他们在工业兼容的 c 面蓝宝石衬底上，以外延办法成长出了 2 英寸的单层二硫化钼单晶薄膜。
针对单层二硫化钼单晶薄膜的物理机制，他们先是从材料对称性的角度来探索。
结果创造：2 个晶畴取向涌现的缘故原由，是由于外延成长单层二硫化钼的 c 面蓝宝石衬底，具有近 C6 旋转对称性，并导致它们的能量险些简并。
因此，课题组意识到之以是能制备单层二硫化钼单晶晶圆：可能是由于他们在掌握先驱体比例的时候，导致蓝宝石衬底表面重构，乃至形成了低对称的界面缓冲层。
为了确定这个假设，通过从原子尺度、到厘米尺度的跨尺度表征，他们证明了全体晶圆衬底上二硫化钼晶粒的单一定向排列、晶粒间的无缝拼接、以及大面积的均匀性。
比较之前成长的多晶样品、乃至机器剥离单晶样品，这种以外延办法成长的单晶二硫化钼单层具有超高的质量。
其表现出完美的声子圆二色性、~70% 的精良激子谷极化特性、超低的毛病密度、高达~140cm2v−1s−1 的室温迁移率、以及靠近 109 的开关比。
（来源：Nature Communications）
这种界面缓冲层的新策略，能够为以二硫化钼为代表的二维半导体单晶晶圆的制备供应全新方案，有望推动二维半导体在高性能电子学与光电子学等方面走向家当运用 [3]。
详细来说，可以推动二维半导体在高性能电子学与光电子学器件上的运用，助推超越硅基极限的亚 1nm 二维芯片、薄膜晶体管、柔性显示器件、万物互联器件、智能可穿着器件等产品走向运用。
（来源：Nature Communications）
此外，由于较弱的层间范德华力，也可以把二维材料像乐高积木一样垂直堆叠起来，形成具有原子级平整界面的人工量子材料——莫尔超晶格。
研究职员表示，莫尔超晶格可以为能带调控、光和物质相互浸染、以及全新的物理征象和器件架构，供应前所未有的机会。
例如，莫尔超晶格中形成的平带，可以极大增强电子关联相互浸染，从而产生浩瀚新奇的拓扑和关联电子态。
该课题组的杜罗军表示：“我们是国际上最早开展莫尔超晶格研究的团队之一，我们还应邀在 Science 上撰写了莫尔光子学和光电子学的综述论文 [4]。”
图 | 杜罗军（来源：杜罗军）
此外，虽然在过去几年里，人们已经见证了丰富多样的新奇莫尔电子特性和光电子特性。
但是，直到目前为止，这些莫尔量子物态的实现常日须要极低温条件，这对学术探索和家当运用都造成了巨大困难。
对付转角二硫化钼莫尔超晶格来说，虽然几年前学界就在理论上阐明了其电子关联导致的拓扑平带。
但是，由于从块体材料剥离得到的单层样品，存在较高的毛病密度（~1013cm−2），导致转角二硫化钼莫尔量子物态一贯处于实验探索的空缺区域。
而该课题组以外延办法成长的高品质单晶单层二硫化钼，其毛病密度比机器剥离低一个数量级以上，借此他们构筑了一种双层二硫化钼莫尔超晶格器件。
在莫尔平带 1/4、2/4、3/4 添补处，可以不雅观察到电子关联导致的关联绝缘态。通过此，该团队揭示了层杂化的 SU（4）量子仿照器。
不同于人们之前在二维半导体莫尔异质结系统中研究较多的 SU（2）关联物理征象，SU（4）量子仿照器将有望实现包括轨道选择的莫尔绝缘相、手性自旋液体等一系列新奇量子物态。
更主要的是，对付莫尔平带 1/4 添补的关联绝缘态，课题组实现了目前为止最大的关联能隙（∼126meV），并首次阐明了室温下的莫尔关联物态。
进一步地，他们构筑了同时包含 AA 堆垛和 AB 堆垛的转角四层二硫化钼器件，实现了 AB 堆垛中关联绝缘态和 AA 堆垛中滑移铁电序的耦合。
同时，也阐明了莫尔体系不同拓扑和关联电子态之间耦合的可能性，为实现全新的耦合莫尔物性阐明了可能 [5]。
估量有望推动基于二维莫尔超晶格关联电子态的量子器件的构筑、及其不才一代纳电子和光电子方面的运用。
而该团队所揭示的不同莫尔物态的耦合，则有望引领全新的莫尔拓扑物态的创造，比如引领非阿贝尔拓扑序、分数量子自旋霍尔态的创造。
进而引发凝聚态物理研究的下一个“淘金热”，推动莫尔电子学、光子学、光电子学等领域的发展和运用。
将进一步构筑高性能器件
在材料制备上，虽然课题组目前已经实现了 2 英寸单层二硫化钼单晶晶圆的制备。
但是为了达到与当前硅基技能兼容的尺寸标准（12 英寸），以便更好地平衡产品产量与制造本钱，还须要制备更大尺寸的单层二硫化钼单晶晶圆。
在无损转移上，当前单层二硫化钼单晶晶圆成长在蓝宝石衬底之上，和器件加工工艺并不兼容，因此须要转移至目标衬底。
与此同时，当前转移的方法常日会引入损伤和沾污，并且尺寸较小，不能知足晶圆级电路集成运用需求。
以是，他们打算探索基于晶圆尺寸的无损清洁型转移技能，比如超高真空转移技能和直接硬转移技能等。
在高性能器件的构筑上，比较于发展较为成熟的硅基器件工艺，高性能二维半导体器件的发展仍旧面临着一系列寻衅，比如打仗问题、超短沟道加工问题、栅介质沉积、以及与二维半导的界面优化问题等。
因此，他们打算碳素以二维半导体为沟道的高性能纳电子器件的构筑，推动其在电子学与光电子学等方面走向家当运用。
参考资料：
1.Nat. Nanotechnol. 16, 1201（2021）; Nat. Nanotechnol. 17, 33（2022）; Nat. Nanotechnol. 18, 1289（2023）
2.ACS Nano 11, 12001（2017）; Nano Lett. 20, 7193（2020）; Natl. Sci. Rev. 9, nwac077（2022）
3.Nature Communications 15, 1825（2024）
4.Science 379, eadg0014（2023）
5.Physical Review Letters 131, 256201（2023）；Chinese Physics Letters 40, 047303（2023）（Express Letter）
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