段曦東教授團隊接連在頂級期刊《Chemical Review》、《Nature Materials》發表綜述文章：二維材料異質結與超晶格的大面積合成、調控與應用

近日，二維材料湖南省重點實驗室段曦東教授團隊分别在國際頂尖期刊《Chemical Reviews》和《Nature Materials》上發表題為《Synthesis, Modulation and Application of Two-Dimensional TMD Heterostructures》（原文鍊接）和《Towards scalable synthesis of 2D heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking》（原文鍊接）的兩篇重要綜述文章，深入探讨了二維材料異質結和超晶格的大面積合成、調控及應用前景。

發展二維（2D）半導體材料和新原理器件有望突破尺寸微縮極限，被認為是研制後摩爾時代集成電路的最具潛力技術路線之一。實現2D材料在新一代集成電路中的應用關鍵在于制備高質量二維材料單晶和空間組分、電子結構高度可調的二維異質結構。2D橫向異質結是具有相似晶格結構的2D材料通過平面内一對一共價鍵合而成，可集成具有不同電子和光電特性的2D半導體模塊用于高密度超薄器件。二維垂直異質結層間由弱的範德華作用力連接，可突破晶格匹配的限制自由堆垛範德華異質結，高質量的異質結界面可有效提高載流子傳輸效率和器件性能。晶圓級高質量二維異質結的可控合成是實現二維材料集成電路的關鍵環節，但相較于晶圓級二維材料的合成，晶圓級二維異質結的合成由于更複雜多變的化學環境、不可控熱刻蝕等，面臨更加嚴峻的挑戰。

發表在權威綜述雜志《Chemical Reviews》上的《Synthesis, Modulation and Application of Two-Dimensional TMD Heterostructures》論文全面總結了二維過渡金屬二硫族化合物（2D-TMD）異質結構的最新研究進展，涵蓋了其合成方法、性能調制和廣泛應用（圖1）。文章指出，挖掘2D材料的全部潛力需要實現其異質結構和超晶格的可控合成，并精确調控其化學成分和電子結構的空間分布，這對于提高電荷遷移率、最小化界面散射和确保優異的器件性能至關重要。此外，二維TMD異質結構的性質可以通過多種方法進行調制，如調整堆疊角度、調節層間間距以及修飾二維材料的表面，從而獲得具有創新性能的範德華（vdW）異質結構。通過電荷轉移、表面重構、層間接近效應以及能帶結構工程等手段，vdW異質結構的光電性能得到了有效調控。綜述中首先回顧了當前TMD異質結構的研究現狀，并深入探讨了高質量TMD異質結構和超晶格的合成方法，特别關注了晶圓級異質結構的制備技術。随後，文章詳細分析了利用各種技術手段調制vdW異質結構性能的最新進展。進一步綜述了TMD異質結構在電子器件、光電子器件等領域的應用，并展望了其未來的發展潛力。最後，文章概述了該領域未來研究工作所面臨的挑戰和可能的研究方向。

圖1. 二維TMD異質結的合成調控及應用

發表在材料類頂刊雜志《Nature Materials》上的《Towards scalable synthesis of 2D heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking》論文更加關注大面積二維異質結構和超晶格化學合成中所面臨的關鍵挑戰和合成方法創新。二維材料單層厚度小于1 nm，而其橫向尺寸可以擴展到宏觀尺度，如12英寸晶圓（約300毫米），使其橫縱比可達10⁹或者更大。這種特殊的縱橫比需要高度的各向異性生長，其中橫向(平行于2D基面)和垂直(垂直于2D基面)維度的生長速率相差數百萬或數十億倍，這給其合成帶來了全新的挑戰。文章總結了當前二維異質結材料合成中的關鍵挑戰—面内和面外生長不可控競争、生長與蝕刻不可控競争、随機成核不可控以及異質界面質量退化（圖2）。針對上述挑戰，作者詳細回顧了化學氣相沉積（CVD）工藝（作為可大面積制備二維材料及其異質結構的最有前途的方法）在大面積單晶材料合成、二維橫向/垂直異質結、超晶格和陣列合成方面的關鍵進展。最後，文章強調了當前的技術進展，并展望了二維材料及其異質結構和超晶格的晶圓級合成的未來前景。