第一作者：Biao Qin, Chaojie Ma, Quanlin Guo, Xiuzhen Li
通讯作者：Guangyu Zhang, Can Liu, Kaihui Liu
通讯单位：北京大学、中国人民大学、中国科学院物理研究所
DOI: 10.1126/science.ado6038
刘开辉
，北京大学物理学院教授，国家杰青（2020）、国家优青（2015），长期从事低维材料生长机理与光谱物理研究，擅长开发先进技术手段以解决前沿科学问题；团队自主设计米级单晶制造装备、搭建单个低维材料单元水平的纳米光谱学表征系统、开发二维材料复合光纤全光纤器件；2009年博士毕业于中国科学院物理研究所，导师：王恩哥院士；2009-2014年于美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后研究，合作导师：王枫教授；2014年归国加入北京大学物理学院。2014年回国以来，发表通讯论文包括
Science 3
篇、
Nature 3
篇、
Nature
子刊
20
篇、
PRL 2
篇，主编专著
1
部，申请国家发明专利
60
余项（
5
项已转化落地）
。曾获科学探索奖、北京市自然科学一等奖、中国发明协会技术发明一等奖、日内瓦国际发明展一等奖；担任国家计划基础加强重点项目首席科学家、国家重点研发计划物态调控专项项目首席科学家。相关成果入选2020年度中国重大技术进展、2020年中国半导体十大研究进展、2024年中关村论坛重大成果。2024年5月，刘开辉教授发表Nature，仅过一个月再发两篇Science，而一月之后，
刘开辉
教授与中国人民大学
刘灿
副教授、中国科学院物理所
张广宇
研究员合作再发Science，展现惊人的研究效率，下面让我们详细了解一下论文内容。
二维过渡金属硫族化合物（TMDs）根据层间堆垛排布方式可以分为六方相（2H-TMDs：六方晶系，层间堆垛方式为AA'AA'）与菱方相（3R-TMDs：三方晶系，层间堆垛方式为ABCABC）结构。其中3R-TMDs较2H-TMDs具备更高的载流子迁移率及电流密度，使其成为2纳米以下技术节点集成电路的理想沟道材料。另外，3R-TMDs独特的层间堆垛方式打破了面内反演对称性和面外镜像对称性，赋予其界面极化反转的铁电性、高能效体光伏效应和相干增强非线性光学响应。这些物理特性有望推动3R-TMDs在“后摩尔时代”先进制程微电子、非易失性存储器、神经拟态计算、太阳能能量转换、片上非线性光学器件、量子光源等电子芯片及光子芯片领域的发展。然而，面向电子/光子芯片用的3R-TMDs单晶薄膜制备极具挑战，目前尚无法实现。
本文提出了“晶格传质-界面外延”材料制备策略，首次实现了层数及堆垛结构可控的菱方相3R-TMDs单晶的通用制备。其中，少层3R-MoS2展现了极高的电学性能，满足国际器件与系统路线图2028年半导体器件迁移率目标要求；厚层3R-MoS2在非线性频率转换方面展现出卓越的性能，在准相位匹配条件下，实现近红外波段高能效差频转换效率，较单层提升5个数量级。
1. 3R-TMDs其制备难点具体如下。（1）相结构控制困难：六方相2H-TMDs与菱方相3R-TMDs能量差异极小（通常2H比3R相能量低~1-10 meV/unit cell），往往两相共存。（2）层数控制困难：TMDs材料生长主要局限于“表面外延”技术路线，虽然可通过表面逐层生长或多层形核方式获得少层结构，但随层数增加衬底的近邻作用降低，直至消失，仅剩的层间弱范德华耦合无法支撑更厚层数生长（图1A）。因此，传统“表面外延”技术从原理上极难实现3R-TMDs控制制备。传统“溶解-析出”模式通过将前驱体溶解至目标衬底（通常为金属），随后通过降温/恒温析出产物，可天然突破“表面外延”限制。然而，由于硫族元素极易损坏金属衬底，TMDs体系用“溶解-析出”模式制备亦无法实现。
2.为了克服金属衬底的硫化反应，本文通过将硫族元素以单原子供应方式充分溶解至Ni-M（M为过渡金属）合金衬底中（如图1B所示），反应原子通过浓度及化学势梯度于金属晶格中不断传质，随后在衬底和TMDs界面处外延析出新生TMDs层（如图1C所示）。通过连续“抬起”形成层来保持外延界面的表面结构及化学活性，保证了每层TMDs沿衬底台阶的平行取向，“推动”了多层薄膜的连续界面外延。
1. 采用这种“晶格传质-界面外延”策略，本文成功地获得了多层3R-MoS2单晶。图2A显示了将均匀的MoS2薄膜转移到2英寸的SiO2/Si晶圆上的实物照片。此外，MoS2薄膜的层数与生长时间呈近似线性关系，通过改变生长时间，可实现少层到约15,000层的可控生长（图2C）。进一步地，通过X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和低能电子衍射（LEED）技术，证实了该薄膜在晶圆尺度上具有单晶特性（如图2D-F所示）。
2.为了研究生长的MoS2单晶的堆叠顺序，通过光谱学和电子显微镜对其进行了全面表征。具有偏振依赖的二次谐波(SHG)揭示了生长薄膜的非中心对称性（图2G），这表明了平行堆叠的3R相，而不是具有中心对称性的2H相。在熔融石英上转移的3R-MoS2的SHG面扫显示出均匀的强度，进一步证实了在大面积上堆叠序列的一致性（如图2H所示）。此外，原子尺度的选区电子衍射（SAED）、平面扫描透射电子显微镜（STEM）以及截面STEM的结果清晰地显示了MoS2单晶的完美3R堆叠结构（如图2I-L所示）。
本研究通过“晶格传质-界面外延”技术，验证了多种3R-TMDs材料生长的普适性。通过在单晶Ni衬底上改变溶解的过渡金属（例如Mo、W、Nb）和硫族元素源（例如S、Se），成功实现了多种3R-TMDs薄膜的合成，包括MoSe2、WS2、WSe2、NbS2、NbSe2以及MoS2(1-x)Se2x合金。
1.为了准确评估3R-MoS2单晶的电学特性，本研究将生长得到的薄膜转移到20 nm的Al2O3/Si衬底上，并使用Ti/Au/Ti作为电极材料，Sb作为接触，制备了场效应晶体管（FET）。图4B展示了典型的三层MoS2场效应管的输出特性，其表现出了显著的n型导电行为，并在Vds = 3 V的条件下展现出了540 μA μm-1的高饱和电流。无论是单层、双层还是三层MoS2FET器件，都展现出了良好的静电控制能力和高迁移率，这进一步证实了通过该策略获得的样品具有高的晶体质量。
2. 在大面积晶体管阵列中，器件间的阈值电压和导通电流的差异性极小（如图4H所示），这表明外延生长的3R-MoS2薄膜具有高度均匀的电学性能。FET阵列器件在单层、双层以及三层MoS2中分别展现出了高达137、155和190 cm2 V-1s-1的高迁移率，这些迁移率数值在已报道的MoS2晶体管性能中处于领先地位，甚至超过了国际器件和系统路线图（IRDS）中设定的迁移率目标（如图4I所示）。
