【東大新聞網5月6日電】（通訊員 馬亮）近日，AG真人娱乐物理學院王金蘭教授、馬亮教授材料多尺度模拟團隊在二維材料的層數可控生長機理方面取得了重要進展，與南京大學王欣然教授實驗團隊合作實現了厘米級均勻雙層MoS2薄膜的層數可控外延生長，成果以“Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire”為題，5月4日在線發表于Nature。
人工智能、自動駕駛等新興産業數字化、智能化需求的爆發式增長，推動了微電子芯片集成度的不斷提高。目前矽基半導體晶體管微縮工藝已推進至5nm節點及以下，并逐漸逼近其物理極限。晶體管尺寸的進一步微縮迫切需要基礎材料的創新與突破。近年來，以MoS2為代表的二維半導體材料(厚度<1nm)同時兼具高遷移率、超大比表面積、柔性、平面易集成等特點，被視為後矽基半導體時代延續摩爾定律的理想候選材料之一，獲得了極大關注和迅速發展。與單層MoS2相比，多層 MoS2具有更高的載流子遷移率，能夠提供更大的驅動電流，在場效應晶體管(FETs)等電子器件中具有更加顯著的應用優勢與前景。然而，目前多層MoS2大面積均勻薄膜的層數可控外延生長極具挑戰性，是困擾已久的二維材料研究前沿難題。
圖1. 單、雙層MoS2生長的熱力學競争趨勢。
王金蘭、馬亮團隊基于多尺度模拟建立了外延襯底上多層MoS2生長的熱力學競争模型，發現由于襯底與MoS2的表面強相互作用，緻使傳統的表面外延生長方法隻能通過逐層生長的模式獲得多層MoS2，受限于生長時長的不一緻和成核位點的随機分布，從而導緻了多層MoS2的層數均勻性差和薄膜不連續等問題。團隊在前期與實驗課題組合作開展的利用外延襯底台階邊緣實現MoS2單取向成核與大面積（2英寸）單層單晶生長的工作基礎上[Nat. Nanotechnol., 2021, 16, 1201]，提出了利用外延襯底高台階與多層MoS2的界面強相互作用，突破傳統的逐層生長模式，實現了多層MoS2的層數可控成核與生長[Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202201402]。特别的，團隊通過計算模拟指出藍寶石c面六層台階(~1.4 nm)與雙層MoS2厚度匹配，存在較強的界面相互作用，能夠引導雙層MoS2上下兩層的同時成核與肩并肩生長。
圖2. 台階引導的雙層MoS2生長機制。
基于這一機制，團隊與王欣然教授課題組合作實現了厘米級均勻雙層MoS2層數可控外延生長。基于雙層MoS2通道的場效應晶體管(FET)器件，在遷移率(高達122.6 cm2 V−1 s−1)和電流密度(1.27 mA μm-1)方面，相比于單層MoS2的FET器件有了顯著的改善，并超過了高性能FETs的2028路線圖目标。
物理學院馬亮教授為本文共同一作（理論第一）和共同通訊作者，博士研究生董瑞康為共同一作，王金蘭教授為共同通訊作者。該工作AG真人娱乐部分受到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金重點/青年項目和江蘇省“雙創人才”等項目和人才計劃的資助。
論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04523-5
