大面積高質量單晶的生長一直是現代電子技術得以高速發展的基石。為了突破硅基電子學摩爾定律的限制，當前電子學研究的熱點集中在二維過渡金屬硫族化合物（TMDs）上。但是，如何精確控制這種原子層級的二維晶體的外延逐層生長，一直是一個難以解決的難題。近日，筆者從江南大學獲悉，由該校物聯網工程學院顧曉峰、肖少慶教授等組成的科研團隊（低維半導體材料與器件實驗室），通過多年反復研究與試驗，提出了一種具有普適性的氫氣輔助反向氣流化學氣相外延法，實現了多種TMDs及其合金高質量雙層單晶的大范圍可控生長。
“單層高質量TMDs的生長和光電應用經常見諸主流期刊，但雙層乃至多層高質量單晶TMDs的生長仍是一個巨大的挑戰。目前，用于基礎研究和光電應用的雙層及多層TMDs多來自于機械剝離法以及后處理方法，如：激光刻蝕、等離子體刻蝕和熱退火等，普遍存在產率低、層數和尺寸可控性差等問題。雖有少數工作采用化學氣相沉積（CVD）法制備出雙層及多層TMDs，但仍存在晶體質量差、尺寸和層數不可控等問題。”顧曉峰說。
肖少慶介紹，要解決相關制備問題難度很大。根據生長動力學理論，雙層單晶的生長至少需要兩個不同溫度的生長階段來促使單層的垂直高階堆垛，但是在傳統CVD升溫階段過程中，對前驅反應氣體的控制不良通常會導致形成不可控和不需要的成核中心，進而顯著降低所制備晶體的質量和可控性。
“我們提出的一種具有普適性的氫氣輔助反向氣流化學氣相外延法，通過在升溫階段引入氫氣反向氣流并控制生長溫度梯度，不僅有利于減少外延生長時不需要、不可控的成核中心，而且有利于源自第一單層成核中心的第二單層的均質外延。”肖少慶說，這種方法的效率遠超機械剝離法和傳統的CVD方法，并在三層及多層單晶的逐層可控制備方面展現出巨大的潛力。同時，通過控制第二層的生長溫度可以得到不同堆垛的雙層TMDs單晶如AA堆垛和AB堆垛的二硫化鉬（MoS2）。實驗結果發現AA堆垛的雙層MoS2具有比單層更高的場效應管遷移率；通過采用多種源粉首次合成了MoWSSe四元合金雙層單晶，實驗結果表明其場效應晶體管表現出明顯的雙極性特征。
據了解，這項研究為TMDs的大范圍逐層可控制備提供了一種可靠和通用的思路，為研究層與層之間的范德華力相互作用提供了良好的平臺，為實現過渡金屬硫屬化合物薄膜及其異質結的按需可控制備打下了堅實的基礎，極大地提升了TMDs等二維半導體在谷電子學、光電傳感器，高性能電子器件、溝道材料、柔性薄膜電子/光電子器件的應用潛力，有望推動我國新一代微電子和光電子行業以及新材料行業的發展。（過國忠）
