博士生一作！北京科技大学，2025年首篇Nature Materials！
学术
2025-01-13 22:41
广东
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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。北京科技大学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域，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。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，多种子生长法存在由拼接缺陷引发的晶界平移问题。与平移晶格不完全融合的区域导致缺陷密度高，器件均匀性低，限制了二维材料的应用。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，TMDC域通常只能生长到毫米级。液体前驱体结晶方法，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TMDC域。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。本文引入了一种固体-液体-固体工艺，使MoS2从多晶转变为单晶。首先，通过蚀刻反应（氧与预沉积的多晶MoS2之间）和退火工艺，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光滑界面上获得大面积的MoS2域。生长的MoS2域尺寸为1.5 cm，缺陷密度为2.9 × 1012 cm- 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帮助下实现超清洁、快速和高质量的转移过程。场效应晶体管（FET）阵列的平均迁移率在55 cm2V-1s-1下测量，变化很小，为15.9%。该短沟道FET获得了443.8 μA μm-1的高饱和电流。FET的最佳迁移率为105.4 cm2V-1s-1。MoS2薄膜的高质量和均匀性使FET阵列表现出令人印象深刻的电气性能，从而促进了2D半导体从器件到先进集成电路的应用。图1.大规模、高质量 MoS2 域的 2DCZ 结晶厘米级MoS2域的结晶：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，形成液体前驱体。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气氛中连续均匀的结晶过程，MoS2中的S空位密度被控制在2.9×1012 cm-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、高速生长二维材料提供了新的途径。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。具有大结构域的MoS₂是通过调节能垒抑制成核和促进扩散而获得的。最初，熔融玻璃呈现出原子光滑和无缺陷的表面，显著增强了成核势垒。这得到了低密度、均匀分布的成核位点，以及材料和衬底之间的弱耦合力。此外，由于液-液体系中熔融玻璃的表面张力较大，液态前驱体容易扩散，最终在二维液膜与衬底之间形成单独的界面。在没有吸附过程的情况下，预扩散前驱体在衬底上的扩散势垒远低于CVD方法。因此，超低的成核密度和超快的生长速度相结合，使得MoS₂从多晶向单晶转变，实现了超大尺度的晶界消除。最终制备的MoS₂单晶边长达到750 μm，实现了超低成核密度和75 μm/s的生长速率。大面积MoS2薄膜的转移：利用毛细力和去离子水的表面张力，MoS2薄膜可以自发剥离，以大面积、高完整性和高效率成功转移到2英寸硅片上。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。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）。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。MoS2 的均匀性和结晶度：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。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。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。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电子器件制造。MoS2 FET 的性能：将MoS2薄膜转移到预制的金属底栅衬底上，并使用先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薄膜和高的薄膜转移完整性，MoS2 FET 阵列表现出 96.4% 的器件良率以及55 cm² V⁻¹ s⁻¹的平均迁移率，性能分布均匀。为了获得饱和电流，在10 nm的HfO2衬底上以Ni/Au为接触电极制备了短沟道（480 nm） FET器件，并得到高达 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。相较于传统的大规模 MoS₂ 生长方法，该项工作实现的域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、高度均匀的MoS2显著促进了二维器件的集成电路应用。该项工作开发的2DCZ方法为生长具有厘米尺度域的高均匀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，促进了横向平面内结晶。此外，还对熔融前驱体中MoS2的超快结晶过程（75 μm s-1）进行了原位表征，揭示了2DCZ机制的复杂性。与传统CVD的高度随机性相比，该方法大大提高了MoS2生长的质量、规模和效率。先进的迁移率（105.4 cm2V-1s-1）和导通电流（443.8 μA μm-1）进一步凸显了二MoS2的优越性。2DCZ方法与硅基制造工艺一致，为2D TMDCs的发展提供了指导，为二维材料的工业化应用提供了可能。He Jiang, Xiankun Zhang, Kuanglei Chen, Xiaoyu He, Yihe Liu, Huihui Yu, Li Gao, Mengyu Hong, Yunan Wang, Zheng Zhang* & Yue Zhang*, Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS2. Nature Materials (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02069-7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、北京科技大学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，有力推动了二维材料在下一代集成电路应用。在Nature Materials, Nature Energy, Nature Commun., Adv. Mater., ACS Nano等期刊发表论文。高端测试，找华算 ！同步辐射XAFS组团测低至2499元/元素，原价3500元/元素起，限时限量，立即预约抢占先机，开学优先测！！！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！![]()
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