【研究背景】
随着电子技术的迅猛发展，材料科学的进步在很大程度上塑造了现代文明的不同发展阶段。从石器时代到青铜时代，再到铁器时代，材料的创新引领了每个时代的进步。20世纪60年代，硅基集成电路的发明标志着硅时代的开始，推动了信息技术革命和人工智能的快速发展。尽管硅基技术在过去几十年里取得了巨大的进步，但随着电子设备逐渐接近原子尺度，硅材料的电子性能（如载流子迁移率）出现了快速退化，进一步缩小尺寸面临着越来越大的挑战。这一现状促使科学家们积极寻找能够满足未来计算需求的替代材料。
二维原子晶体（2DACs），特别是层状过渡金属硫化物（TMDs），受到了广泛关注。这些晶体具有原子级的厚度（单层厚度<1纳米）和无悬挂键的表面，能够在极端物理尺度下保持优异的电子性能，使其成为超越硅技术的潜在替代品。此外，二维TMDs具有丰富的化学成分和物理性质（如半导体、超导体、金属等），为探索原子厚度极限下的奇异物理属性提供了一个激动人心的平台。然而，尽管这些材料具有显著的潜力，但在实际应用中，如何可控地合成大面积单晶、二维异质结构和超晶格仍然面临许多挑战。
为了解决这些问题，加州大学洛杉矶分校段镶锋团队和湖南大学段曦东团队合作综述了化学气相沉积（CVD）技术进行合成，以期实现对二维材料的厚度、尺寸、层间耦合、异质结构界面、晶体相和空间位置的精准控制。尽管在这些方面取得了一些进展，例如成功合成大面积单晶和异质结构，但在晶圆级别的均匀生长、位选择性生长、可控扭转角的双层以及低温高质量二维异质结构的合成方面仍面临重大挑战。
要实现这些目标，需要深入理解和精确控制成核和生长过程。这项研究的跨学科性质要求材料科学家、化学家和工程师之间的紧密合作，以推动CVD合成技术的边界，释放二维原子晶体在可扩展技术中的全部潜力。最终，克服这些挑战对于设计量子光子器件、探索莫尔材料中的新量子现象（如Wigner晶体状态和Mott绝缘体）以及实现二维原子晶体在下一代电子和光电子设备中的应用至关重要。
【图文解读】
图1：CVD合成二维TMDs和异质结构的挑战。
图2：2D横向异质结构和超晶格的合成。
图3：二维垂直异质结构和莫尔超晶格的合成。
图4：二维垂直超晶格。
图5：位置控制生长。
【结论展望】
CVD合成的可控性、可扩展性和均匀性是推动完全二维原子晶体及其异质结构应用于实际技术的关键。合成二维原子晶体的努力主要集中在实现受控的厚度、横向尺寸、层间耦合、异质结构界面、晶体相和空间位置等方面。本综述重点介绍了大面积单晶、二维横向和纵向异质结构、超晶格以及位置控制生长的合成控制的最新进展。尽管取得了显著进展，但仍存在重大挑战，如大面积均匀性异质结构和超晶格的晶圆级生长、在任意基底上周期性异质结构的位选择性生长、具有可控扭转角的同/异双层以及与最先进集成电路制造工艺兼容的低温高质量二维异质结构的合成。实现这些目标需要深入理解和精确控制成核/生长过程。这项研究的跨学科性质要求材料科学家、化学家和工程师之间的合作，以推动CVD合成的边界，释放二维原子晶体在可扩展技术中的全部潜力。最终，克服这些挑战对于设计量子光子器件、探索莫尔材料中的新量子现象（如Wigner晶体状态和Mott绝缘体）以及实现二维原子晶体在下一代电子和光电子设备中的应用至关重要。
原文详情：Li, J., Yang, X., Zhang, Z.et al. Towards the scalable synthesis of two-dimensional heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01989-8
