北大Adv. Mater：大尺寸二维单晶的设计生长

【引言】

在人类文明史上，材料科学一直是推动社会生产力发展的主要动力之一。特别是在过去的几十年中，各种硅基器件见证了现代信息产业的发展与繁荣，尤其是在电子和光电领域。当今社会，人们亟需开发一系列全新的材料，以促进日趋放缓的硅基器件制程发展。二维材料家族被认为拥有巨大的发展潜力，因其具有如下的优势：（1）原子级厚度，能够克服关键的短沟道效应，从而使器件在尺寸减小的同时还能降低功耗；（2）多种优异的性质，例如超高的载流子迁移率，界面之间的超快电荷转移等；（3）具有导体、半导体、绝缘体、磁体等完备的器件基本组成单元，可以制备逻辑、存储、光电和光子等器件；（4）与传统硅基器件的加工技术兼容，可快速实现二维器件的规模化、高集成度应用。然而，要真正开发二维器件高集度成应用的巨大潜力，必须先突破制备大尺寸二维单晶的技术难关。因为只有大尺寸的二维单晶才能提供具有高度一致性的极致材料性能，还能避免由缺陷、晶界带来的材料性能劣化，这对器件的高集成度至关重要。因此，研究大尺寸二维单晶的生长，具有十分重要的意义。但是，传统三维单晶生长中许多成功的经验并不能直接运用于二维单晶的制备，主要因为二维材料只有原子级厚度，其生长必须依赖于衬底。二维单晶的可控生长主要基于材料与衬底之间的表、界面调控。到目前为止，只有石墨烯与六方氮化硼（hBN）被制备出接近米量级的单晶。因此，现阶段，总结已有的研究成果并且对二维单晶生长作出更加系统、深入地理解，可为今后更多二维单晶的可控生长打下基础。

【成果简介】

近日，北京大学刘开辉研究员（通讯作者）等人回顾并提出了二维单晶可控生长过程中的四个关键因素，即成核控制、生长促进、表面调控和杂相抑制。晶核控制与生长促进是单个晶核长大形成大尺寸二维单晶的关键因素。表面调控可使所有晶畴取向一致，然后无缝拼接为大尺寸单晶膜。杂相抑制的目标是提高产物的相纯度，从而获得更高的单晶质量。基于现有的研究成果，作者对大尺寸二维单晶生长作出了更加系统深入的认识。同时，作者还讨论了二维材料潜在的生长控制方法和应用前景，彰显了二维单晶材料体系的光明未来。相关研究成果以“Designed Growth of Large-Size 2D Single Crystals”为题发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、二维单晶生长四个关键因素的示意图

图二、成核控制

（a）液体Cu表面生长石墨烯的示意图；

（b）对应的石墨烯SEM图像；

（c）三聚氰胺钝化Cu活性中心，进而抑制成核密度过程的示意图；

（d）石墨烯成核密度显著降低的SEM图像；

（e）控制Cu₈₅Ni₁₅衬底上单核生长的设计示意图；

（f）由单核生长的单晶石墨烯光学照片；

（g）石墨烯进化选择生长的示意图；

（h）1英尺长的单晶石墨烯光学照片。

图三、生长促进

（a，b）石墨烯边缘Ni原子的STM模拟图像；

（c-e）在有氧和无氧状态下的石墨烯边缘生长的示意图和相对应的DFT计算；

（f）局部氧辅助催化生长的示意图；

（g-i）在有氧辅助以及没有氧辅助的情况下，甲烷分解反应过程的示意图和对应的能量曲线；

（j-l）在局部氟辅助催化作用下，一种可能的碳源分解反应路径示意图以及对应的能量曲线。

图四、表面调控

（a）Cu（111）上生长取向一致的石墨烯晶畴光学图；

（b，c）单晶石墨烯和Cu（111）的低能电子衍射图；

（d）在hBN片上生长的取向一致的MoS₂的原子力显微镜（AFM）图像；

（e）MoS₂/hBN异质结构的快速傅里叶变换（FFT）衍射点;

（f） Cu（102）上生长的取向一致的hBN晶畴，背景颜色为衬底的电子背散射衍射（EBSD）图;

（g）Cu（102）上各种hBN晶畴取向的能量计算；

（h，i）hBN在液态金上自校准旋转生长的示意图；

（j）大尺寸Cu（110）上的取向一致的hBN晶畴；

（k，l）hBN和Cu（110）的低能电子衍射图；

（m）hBN和Cu（110）的原子分辨STM图像；

（n）利用第一性原理DFT计算不同取向hBN生长的能量曲线。

图五、 杂相抑制

（a）等离子体诱导MoS₂由2H相到1T相的相变示意图；

（b）MoS₂的相变过程中的原子分辨STM图像；

（c）2H-MoTe₂在边界再结晶过程中相选择的示意图；

（d）生成的1T’相MoS₂；

（e，f）合成的1T’相MoS₂的原子分辨STEM图像和对应的FFT；

（g） MoS₂的相选择生长策略示意图以及K_xMoS₂形成能差异与钾浓度的关系；

（h）与H₂浓度和生长温度相关的K_xMoS₂生长MoS₂相图。

【小结】

总之，本文综述和讨论了二维单晶受控生长过程中的四个关键因素。现阶段，在所有二维材料中，只有石墨烯和hBN通过衬底的表面调控生长获得了接近米量级的单晶。因此，设计具有合适对称性的衬底并将其制备成大尺寸单晶，可能是实现二维单晶规模化生产的可行方法。此外，还可将制备好的二维单晶作为衬底，通过层间耦合的方法在其表面再次生长二维单晶，从而构建层数、取向可控的多层二维单晶或垂直异质结构。同时，一些具有可控层数和形貌的功能纳米材料也可以利用二维单晶模板来制备。现阶段，二维单晶生长还具有巨大的研究空间和潜力。未来有望在多种二维单晶及其复杂异质结构的制备基础之上，实现高集成度全二维器件的开发与应用。

文献链接：“Designed Growth of Large-Size 2D Single Crystals”(Adv. Mater.，2020，10.1002/adma.202000046)