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刘开辉 ，北京大学教授，国家杰出青年科学基金获得者。刘开辉课题组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。近年来，在二维材料表界面生长调控、米级单晶薄膜通用制造技术、表界面耦合物理及器件方向取得了系列研究进展。已发表SCI论文100余篇 (google引用率>7300，h因子48)，其中包括通讯作者文章Nature (2篇)，Nature Nanotechnology (2篇)，Nature Photonics (2篇)，Nature Chemistry，Nature Communications (4篇)，Advanced Materials (10篇)，JACS (2篇)，Nano Letters (6篇)，PNAS，Science Bulletin等。

课题组主页 ： http://liugroup.pku.edu.cn/chs_home.html

【研究成果】

2024年6月7日， 北京大学刘开辉教授，中国人民大学刘灿副教授，中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员和中国科学院深圳先进技术研究院丁峰教授 等人在Science上以“WS ₂ ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity”为题报道了通过原子制造策略合成具有明确手性和相干极性的单晶WS ₂ 带状阵列。（ 北京大学，重磅Science！ ）

2024年6月14日， 北京大学江颖教授，王恩哥教授，刘开辉教授，徐莉梅教授和香港城市大学曾晓成教授 等人在Science上以“Probing structural superlubricity of two-dimensional water transport with atomic resolution”为题报道了使用基于qPlus的原子力显微镜直接成像了石墨烯和六方氮化硼表面上的二维水的原子结构和输运行为。（ 重磅！北京大学，又“水”了一篇Science！ ）

2024年7月5日， 北京大学刘开辉教授，中国人民大学刘灿副教授和中科院物理研究所张广宇研究员 等人在Science上以“Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition-metal dichalcogenide single crystals”为题报道了一种用于生长几种过渡金属卤化物的界面外延方法。

菱面体堆叠的过渡金属卤化物（3R-TMDs）不同于六边形的对应物，其具有更高的载流子迁移率、滑移铁电性和相干增强的非线性光学响应。然而，大型多层3R-TMD单晶的表面外延生长是困难的。

在此， 北京大学刘开辉教授，中国人民大学刘灿副教授和中科院物理研究所张广宇研究员等人 报道了一种用于生长几种组合物的界面外延方法，包括二硫化钼（MoS ₂ ）、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨、二硫化铌、二硒化铌和磺化硒化钼。将金属和硫族元素连续送入单晶镍衬底和生长层之间的界面，确保了一致的3R堆叠序列和从几层到15000层的控制厚度，综合表征证实了这些薄膜的大规模均匀性、高结晶度和相纯度，其成熟的3R-MoS ₂ 双层和三层的室温迁移率分别高达每伏秒155平方厘米和190平方厘米。在准相位匹配条件下，厚3R-MoS ₂ 产生的光学差频明显增强（比单层的非线性响应大5个数量级）。

相关文章以“ Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition-metal dichalcogenide single crystals ”为题发表在 Science 上。

【研究背景】

二维（2D）过渡金属硫化合物（TMDs）是下一代电子集成电路（IC）中超大规模晶体管和光子IC中超紧凑元件的有前途的材料。理论分析和实验验证一致表明，与单层和六方 （2H）对应物相比，菱面体（3R）TMDs表现出更高的电流密度和更高的载流子迁移率 ，这使得它们非常适合5nm以下节点晶体管通道。同时，3R-TMDs的层间堆叠方式同时表现出破碎的面内反演和面外镜对称性，实现了可切换的界面铁电性、节能的体光伏效应和非线性光响应的相长干涉。

然而，单晶3R-TMD的制备受到限制，这主要源于不同衬底（包括SiO ₂ /Si、蓝宝石、云母、玻璃、石英、SrTiO ₃ 和Au）上的生长主要遵循表面外延过程。在这种生长机制下，在现有层的基础上生长一层，由于层间相互作用较弱，本质上限制了层数或堆叠阶段的精确控制（图1A）。尽管通过特定基板上的逐层生长或直接双层成核可以接触到少层TMDs薄膜，但基板的表面邻近效应会随着层数的增加而迅速减弱。当TMD超过两层时，来自衬底的表面能的影响几乎为零，并且较厚的层外延变得无效。更值得注意的是，3R和2H相之间的最小能量差导致它们的涡轮层相与主要是2H相共存。因此，表面外延生长对3R-TMD薄膜的大规模生长面临重大挑战。据报道，菱面体BN成功生长3R薄膜的一个显著例子，是通过沉淀溶解在Fe-Ni合金中的B和N原子来实现的。然而，对于TMD来说，情况变得特别复杂，大多数金属很容易发生硫质化和变质。

【主要内容】

在此，本文提出了一种在过渡金属（称为Ni-M合金）合金化的Ni衬底上生产晶圆级3R-TMDs单晶的界面外延的通用策略。如 图1B 所示，硫族原子通过破坏金属硫族化合物的表面悬垂键而温和释放，从而防止硫族化合物诱导的Ni-M金属变质。因此，硫族原子充分溶解到Ni-M衬底中，然后在衬底-现有层界面处外延沉淀新层。界面的活性通过依次提升成形层来保持，从而驱动多层膜的连续外延。同时，金属阶梯表面的形态在生长过程中得以维持，验证了每层的单向取向（ 图1C ）。理论计算进一步表明，阶梯边和TMDs之间的耦合决定了每个单层的取向，而TMD层之间的层间耦合保证了纯3R顺序，实现了单晶3R相多层膜。

图1：3R-TMDs的表面和界面外延示意图。

3R-MoS ₂ 单晶的界面外延

本文以3R-MoS ₂ 多层单晶为例，在设计中过渡金属Mo首先通过退火溶解在单晶Ni（111）中，形成一个Ni-Mo合金衬底。接下来，在合金下方放置一个硫化锌的金属硫化物板，以提供硫系源（图1b）。在优化的生长温度下，硫化锌释放出了可以溶解到底物中的S单体，它可以防止大的S分子在金属表面的积累，否则通常会导致金属变质。同时，在衬底两个表面之间的浓度和化学势梯度的驱动下，同时溶解的源在金属衬底中向上沉淀，这导致了TMD多层膜的不间断界面外延，特别是在3R相中。

基于以上策略生长了多层3R-MoS ₂ 单晶，作者将连续的二硫化钼薄膜转移到2英寸SiO ₂ /Si晶片上，展现了薄膜的高均匀性。二硫化钼薄膜的厚度在5小时内的厚度与生长时间呈近似线性关系，这使得层数从几层调整到~15000层，估计生长速率为~50层min ^-1 ，这超过了传统的表面外延。

图2：3R-MoS ₂ 多层单晶的表征。

3R-TMDs单晶的普遍生长

同时，本文的界面外延方法也被验证用于各种3R-TMDs材料的生长。通过对过渡金属（Mo、W、Nb）和硫原（S和Se）溶解成单晶Ni（S11）衬底，成功合成了不同的3R-TMDs薄膜，包括MoSe ₂ 、WS ₂ 、WSe ₂ 、NbS ₂ 、NbSe ₂ 和MoS _2(1-x) Se _2x 合金，这些TMDs通过它们在XRD 扫描光谱中的特征峰进行了识别。此外，HAADF-STEM图像中三角形晶格的均匀对比度和SAED图中衍射点的近零强度，证明了其3R相的可实现性，这些研究证实了3R-TMDs单晶生长策略的普遍性、可控性和可扩展性。

图3：3R-MoS ₂ 及其合金单晶的通用外延研究。