院士领衔，北京科技大学，2025年首篇Nature Materials！

无晶界，厘米级单晶MoS₂ ！

大规模生产高质量二维过渡金属二硫化物 (TMDC) 是工业制造的主要挑战。尽管化学气相沉积（CVD）已实现晶圆级MoS₂单晶的生长，但多种子生长方法因拼接缺陷引发的晶界问题受到限制。单核合成提供了另一种可能，但由于CVD中高成核密度和慢生长速率，TMDC域通常仅达到毫米级。液体前驱体结晶方法，如直拉法，在半导体制造中表现出潜力。然而，由于润湿面积小和高成核密度，L-S反应目前仅能生成亚毫米级TMDC域。因此，开发可润湿基底并降低成核密度是实现大规模2D TMDC生长的关键一步，类似于直拉法的工艺。

在这里，北京科技大学张跃院士联合张铮教授在二维空间中开发了一种液-固结晶技术，成功快速生长出无晶界、厘米级的单晶MoS₂。这种大尺寸单晶具有卓越的均匀性、高质量和极低的缺陷密度。对基于MoS₂的场效应晶体管进行统计分析显示，器件具有高产量和极小的迁移率波动，使其成为先进单层MoS₂器件的标杆。这种二维Czochralski方法为高质量、可扩展的二维半导体材料与器件制造开辟了新路径。相关成果以“Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS₂”为题发表在《Nature Materials》上。

张跃院士和张铮教授

厘米级MoS₂域的结晶

作者开发了一种限域的二维直拉（2DCZ）方法，通过使用低熔点前驱体和化学过程来实现液-固转变，有效地克服了传统直拉法在MoS₂生长中的挑战。该方法使用MoO₃和硫作为前驱体，在熔融玻璃基底上生成均匀的二维液体前驱体，并通过硫蒸气引发液晶过程，实现单层MoS₂的快速结晶。相比传统CVD方法的2.6mm增长极限，此方法将单晶域的尺寸提高到1.5cm，生长速率达到75μms⁻¹，是现有方法的显著提升（图1d）。此外，过量硫气氛的均匀结晶显著降低了硫空位密度（2.9 × 10¹² cm⁻²），远低于其他方法制备的MoS₂（图1e）。这种方法不仅提高了MoS₂域的尺寸和质量，还为大规模、高速生长二维材料提供了新的途径。

图 1：大规模、高质量 MoS₂ 域的 2DCZ 结晶

2DCZ方法的机理

作者通过在原子级光滑的熔融玻璃基底上使用二维液体前驱体，实现了快速生长大尺寸、高质量的单晶单层MoS₂。整个过程分为两个阶段：首先，通过预沉积、刻蚀、铺展和硫化，形成均匀的二维液体前驱体；随后，通过液固转变在低于MoS₂熔点的温度下快速生长单晶。与传统CVD相比，2DCZ方法克服了高成核密度和扩散障碍的问题，利用熔融玻璃的平滑表面和液体前驱体的高扩散性，实现了超低成核密度和75μm/s的生长速率。最终制备的MoS₂单晶边长达到750μm，并且晶界几乎完全消除，为二维材料的高效制备和工业应用提供了新的可能性（图2）。

图2：T2DCZ机制

大面积MoS₂薄膜的转移

作者开发了一种基于去离子水辅助的自发剥离方法，可将大面积 MoS₂ 薄膜高效转移至目标基板，如两英寸硅片（图 3a-b）。这一方法利用 2DCZ 生长过程中形成的光滑表面和弱界面耦合特性，无需使用任何蚀刻溶液，从而显著减少了对化学试剂的依赖，并避免了传统方法可能带来的薄膜损伤（图 3c）。通过 AFM 纳米划痕测试量化了 MoS₂ 与基材之间的附着力，结果表明玻璃基板上的 MoS₂ 附着力最弱（0.05 mN），显著低于传统基材如硅（1.76 mN）和蓝宝石（1.80 mN）（图 3d-g）。这一温和高效的转移方法为大面积单层二维材料的完整转移提供了新思路，有望促进其在功能系统中的集成和应用。

图 3：MoS2 与基材之间的转移和粘附

大范围的均匀性和结晶度

通过 2DCZ 方法生长的 MoS₂ 薄膜展现了优异的均匀性和结晶质量。拉曼测试表明，2.5×2.5 mm² 区域内的峰值差异极小（平均值为 18.22 cm⁻¹），低于传统 CVD 方法，表明缺陷密度较低（图 4a-c）。低温光致发光实验和低能电子衍射进一步证实了薄膜的单晶特性（图 4e-f）。电子显微镜和扫描隧道显微镜的原子分辨率图像显示 MoS₂ 薄膜具有一致的六方晶格结构，硫空位缺陷密度仅为 2.9 × 10¹² cm⁻²（图 4g-i）。此外，水辅助低损伤转移过程进一步提升了薄膜的整体质量。与气相沉积相比，2DCZ 的液-固结晶过程显著增强了溶质扩散效率，确保了大面积单层 MoS₂ 的均匀性和高结晶度，使其适合应用于大规模电子器件制造。

图 4：MoS₂ 的均匀性和晶体质量的表征

场效应管性能

作者利用大尺寸、高质量的单晶 MoS₂ 制备了厘米级 FET 阵列，并成功将 MoS₂ 薄膜转移到预制金属底栅基板上，使用先栅工艺制造器件（图 5a、b）。FET 阵列表现出 96.4% 的器件良率，迁移率均值为 55 cm² V⁻¹ s⁻¹，性能分布均匀（图 5c、d）。短沟道 FET 显示出高达 443.8 μA μm⁻¹ 的通态电流和 105.4 cm² V⁻¹ s⁻¹ 的最佳迁移率，性能接近剥离单层 MoS₂ 的水平（图 5e-g）。相较于传统的大规模 MoS₂ 生长方法，作者的域尺寸和迁移率表现更优，展示出极高的集成潜力（图 5h）。

图 5：MoS₂ FET 的电子特性

小结

本文开发了一种创新性的 2DCZ 方法，用于在熔融玻璃上生长厘米级域、高均匀性和高晶体质量的晶圆级 MoS₂，突破了传统 2D 材料生长方法的局限性。与传统直拉法相比，2DCZ 方法通过二维液态前驱体抑制垂直结晶，促进横向面内结晶，并实现了超快的结晶速度（75 μm/s）。原位表征揭示了该方法的独特机制，与传统 CVD 的随机性相比，显著提升了 MoS₂ 的生长质量、规模和效率。MoS₂ 展现了卓越的电子性能，包括迁移率（105.4 cm²/V·s）和通态电流（443.8 μA/μm），进一步彰显了其优越性。2DCZ 方法与硅基制造工艺兼容，为 2D TMDC 的大规模工业化应用提供了有力支持，推动了 2D 材料技术的进一步发展。