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　　近日，北京科技大学前沿交叉科学技术研究院张跃院士及张铮教授团队等人在《Nature Materials》上发表重要研究成果。

　　大规模生产高质量的二维过渡金属二硫族化物(TMDCs)是二维器件工业制造中的一个重大挑战。张跃院士及张铮教授团队等人提出了一种名为“二维Czochralski(2DCZ)”的方法，该方法能够在常压下快速生长出厘米级尺寸、无晶界的单晶MoS2晶畴，这些MoS2单晶展现出卓越的均匀性和高质量，具有极低的缺陷密度。由MoS2制造的场效应晶体管的统计分析表明，器件良率高，迁移率变化最小。这种2DCZ方法对制造高质量和可扩展的二维半导体材料和器件具有重要意义，为下一代集成电路的制造提供了重要的材料基础。相关成果以“Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS2”为题于2025年1月10日发表在Nature Materials上。第一作者为姜鹤博士。

　　研究背景

　　通过化学气相沉积(CVD)已经成功实现晶圆级MoS2单晶的生长。然而，多核生长法存在由拼接引发的晶界缺陷问题，将降低器件均匀性，限制了二维半导体材料的应用。从单个核合成宏观晶圆级单层单晶提供了另一种可行方法。但由于CVD中高成核密度和缓慢的生长速率，TMDCs晶畴通常只能生长到毫米级。液态前驱体结晶方法，是半导体制造中大规模单晶制备的有效手段。受限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TMDCs晶畴。因此，在可润湿衬底上建立大规模的二维液体前体并降低成核密度是在类似于Czochralski工艺的过程中生长大规模二维TMDCs的关键先决条件。

　　图文导读

　　本文引入了一种固-液-固工艺，使MoS2从多晶转变为单晶。首先，通过蚀刻反预沉积的多晶MoS2，在熔融玻璃基板上形成大规模的二维液体前驱体膜。然后采用超快硫化工艺在原子级光滑界面上获得大面积的MoS2晶畴。生长的MoS2晶畴尺寸为1.5cm，缺陷密度为2.9×1012cm-2。此外，低成核密度削弱了MoS2薄膜与衬底之间的附着力，有利于在去离子水的辅助下实现超清洁、快速和高质量的转移过程。场效应晶体管(FET)阵列的平均迁移率为55cm2V-1s-1，变化很小，为15.9%。短沟道FET获得了443.8μAμm-1的高饱和电流。FET的最佳迁移率为105.4cm2V-1s-1。MoS2薄膜的高质量和均匀性使FET阵列表现出优异的电学性能，从而促进了二维半导体从器件到先进集成电路的应用。

图1 大尺寸、高质量MoS2晶畴的2DCZ结晶

　　厘米级MoS2的结晶：采用2DCZ方法在常压管式炉中以MoO3和S为前驱体生长大规模MoS2单层。首先，通过调整O2和S蒸汽的分压，实现Mo源的预沉积和蚀刻，形成液体态MoO3。随后，在熔融玻璃基板上发生共晶反应和液液相分离，得到稳定均匀的二维液体前驱体。最后，由硫蒸汽触发液体结晶过程。由于在过量S气氛中发生了连续均匀的结晶过程，MoS2中的S空位密度被控制在2.9×1012cm-2，显著低于机械剥离、物理气相沉积或CVD制备的MoS2。与之前报道的MoS2生长方法相比，该方法不仅显著提高了MoS2域的尺寸和质量，还为大规模、高速生长二维半导体材料提供了新的途径。

图2 2DCZ机制

　　2DCZ方法的机理：2DCZ生长过程中引入的液相显著改变了反应过程。大尺寸的MoS2晶畴是通过抑制成核势垒和促进扩散势垒而获得的。最初，熔融玻璃呈现出原子级光滑和无缺陷的表面，显著增强了成核势垒。这降低了生长过程中的形核密度，从而削弱了材料和衬底之间的耦合力。此外，由于液-液体系中熔融玻璃的表面张力较大，液态前驱体容易铺展，最终在二维液膜与衬底之间形成单独的界面。预铺展的前驱体在衬底上的扩散势垒远低于通过气相吸附-扩散-生长的CVD法，这极大地提高了生长速率，达到了75μms-1。因此，超低的成核密度和超快的生长速率相结合，使得MoS2从多晶向单晶转变，实现了超大尺度的晶界消除

图3 MoS2的转移和与衬底之间结合力

　　大面积MoS2薄膜的转移：利用去离子水的表面张力，MoS2薄膜可以自发剥离，无损且高效率地成功大面积转移到2英寸硅片上。这一方法利用薄膜和衬底见的弱界面耦合特性，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。MoS2薄膜与衬底之间的附着力越强，薄膜在外力作用下越难以被切开。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2DCZ生长在玻璃基板上的MoS2附着力最弱(0.05mN)，显著低于传统CVD生长在其他衬底如硅(1.76mN)和蓝宝石(1.80mN)。这一温和高效的转移方法为大面积单层二维半导体材料的完整转移提供了新思路，有望促进其在集成中的应用。

图4 MoS2的均一性和晶体质量的表征

　　MoS2的均一性和结晶度：拉曼测试表明，2.5×2.5mm2区域内的峰值差异极小(平均值为 18.22cm-1)，低于传统CVD方法，表明缺陷密度较低。低能电子衍射进一步证实了薄膜在厘米尺度的单晶特性。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，通过统计得到的硫空位缺陷密度仅为2.9×1012cm-2。此外，水辅助低无损转移过程进一步提升了薄膜的整体质量。与CVD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集成电路制造。

图5 MoS2FET的电子特性

　　MoS2FET的性能：将MoS2薄膜转移到预制的金属底栅衬底上，并使用底栅工艺制造了厘米级FET阵列。由于高质量的单晶结构、高均匀性的MoS2薄膜和高完整性的薄膜转移，MoS2FET阵列表现出96.4%的器件良率以及55cm2V-1s-1的平均迁移率。在10nm的HfO2衬底上以Ni/Au为接触电极制备了短沟道(480nm)FET器件，并得到高达443.8μAμm-1的开态电流。单FET最佳迁移率达到了105.4cm2V-1s-1，性能接近机械剥离制备的单层MoS2的水平。相较于传统的大规模MoS2生长方法，该项工作实现的晶畴尺寸和迁移率表现更优，展示出极高的集成潜力。此外，还成功构建了各种基本逻辑电路，所制备的高质量、高度均一度的MoS2显著促进了二维半导体器件在集成电路中的应用。

　　结论展望

　　该项工作开发的2DCZ方法为生长具有厘米尺度晶畴的高均一性和高质量的晶圆级MoS2提供了新的途径，有望推动传统二维半导体材料生长方法的创新。与传统的Czochralski过程相比，2DCZ方法通过在熔融玻璃上实现二维液态前驱体，抑制了垂直结晶，促进了横向面内结晶。此外，还对熔融前驱体中MoS2的超快结晶过程(75μms-1)进行了原位表征，揭示了2DCZ机制。与传统CVD法相比，该方法大大提高了MoS2生长的质量、规模和效率。2DCZ方法与硅基制造工艺兼容，为二维TMDCs的发展提供了理论指导，为二维半导体材料的工业化应用提供了可能。

　　作者简介

　　张跃，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。现任新金属材料国家重点实验室主任、前沿交叉科学技术研究院院长。从事低维半导体材料及其服役行为的研究，致力于将低维半导体材料前沿研究和国家重大需求相结合，在信息、能源和传感领域关键材料与器件应用的基础理论、制备技术和工程应用方面做出了系统性、创新性重要贡献。在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Energy、Nature Electronics等国内外期刊上发表SCI论文。

　　张铮，前沿交叉科学技术研究院副院长、材料科学与工程学院材料物理与化学系主任，先后入选国家高层次青年人才和国家高层次人才计划。近年来，聚焦二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)及其半导体器件，建立了材料电学性能的缺陷工程调控方法，控制制备高质量二维TMDCs材料;提出了新原理全二维范德华半导体器件的设计思路与构筑方法，发展了与硅技术兼容的器件构筑方法，研制出性能满足应用要求的晶体管器件，实现了逻辑互联和光电耦合功能，有力推动了二维半导体材料在下一代集成电路应用。在Nature Materials, Nature Electronics，Nature Energy, Nature Commun., Adv. Mater., ACS Nano等期刊发表论文。