摘要：近日，北京科技大学张跃院士，张铮教授等人发表了题为「Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS₂」的工作，介绍了一种新的二维Czochralski（2DCZ）方法，用于生长单晶MoS₂。研究

近日，北京科技大学张跃院士，张铮教授等人发表了题为「Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS₂」的工作，介绍了一种新的二维Czochralski（2DCZ）方法，用于生长单晶MoS₂。研究表明，这种方法生产的MoS₂具有超低缺陷密度和高均匀性，显著提高了场效应晶体管（FET）的性能，推动了二维半导体材料和器件的高质量和可扩展制造。 相关成果发表在高印期刊Nature Materials上。

研究背景

批量生产单晶二维过渡金属二硫属化物是制造下一代集成电路的先决条件之一。目前，实现晶圆级高质量二维材料结晶的策略主要集中在合并单向排列、大小不同的域。然而，不完美合并的平移晶格区域会导致缺陷密度高、器件均匀性低，从而限制了二维材料的应用。

研究内容

近日，北京科技大学张跃院士，张铮教授等人介绍了一种新的二维Czochralski（2DCZ）方法，用于生长单晶MoS₂。传统方法在大规模生产高质量二维过渡金属二硫化物（TMDCs）时面临挑战，而2DCZ方法通过液-固转化在二维空间内快速生长厘米级单晶MoS₂域，且无晶界。研究表明，这种方法生产的MoS₂具有超低缺陷密度和高均匀性，显著提高了场效应晶体管（FET）的性能，推动了二维半导体材料和器件的高质量和可扩展制造。

图一展示了通过2D Czochralski（2DCZ）方法生长高质量、大面积单晶MoS₂的过程。具体步骤包括：传统的化学气相沉积（CVD）预沉积MoS₂，氧气辅助蚀刻形成液态前驱体膜，液态前驱体在熔融玻璃上的扩展和均匀分布，最后在硫气氛中快速结晶形成大面积单晶MoS₂。图中还包括Mo-O-S-Na四元相图，展示了硫化、氧化、共晶反应和面内结晶过程。

图1 | 2DCZ结晶以获得大规模、高质量的MoS₂域。

图2展示了2DCZ方法的具体机制，通过示意图和原位成像，详细描述了从MoO₃前驱体到大面积MoS₂薄膜的生长过程。步骤包括：MoO₃粉末在玻璃表面熔融并与Na₂O反应形成共晶液滴，液滴在硫气氛中转变为液态前驱体，扩展形成均匀的2D液态薄膜，最后在硫气氛中快速结晶形成大面积单晶MoS₂薄膜。这些步骤展示了2DCZ方法如何通过调控能量屏障，实现高质量单晶MoS₂薄膜的生长。

图2 | T₂DCZ机制。

图三展示了大面积MoS₂薄膜的转移过程及其与基底的粘附性。利用毛细力和去离子水的表面张力，MoS₂薄膜可以自动剥离并转移到新的基底上，成功将大面积MoS₂薄膜转移到两英寸硅片上，保持了高完整性和效率。与传统湿法转移相比，这种方法通过水张力在无腐蚀环境中实现自发分离。此外，通过AFM测试不同基底上MoS₂的粘附性，发现MoS₂在玻璃基底上的粘附性最弱，便于转移。这些步骤展示了2DCZ方法在大面积、高质量MoS₂薄膜制备中的优势。

图3 | MoS₂与基材之间的转移和粘附。

图4展示了转移后的大面积MoS₂薄膜的均匀性和晶体质量。通过拉曼测试、光致发光（PL）映射和低能电子衍射（LEED）等方法，确认了MoS₂薄膜在大面积上的均匀性和高质量的单晶特性。高分辨率透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像进一步证实了MoS₂的六方晶格结构和低缺陷密度。

图4 | MoS₂的均匀性和晶体质量的表征。

图5描述了单晶MoS₂场效应晶体管 (FET)。图5a显示了具有MoS₂通道的FET阵列，图5b显示了其结构示意图。图5c显示了192个FET的传输特性，表明单晶结构质量高且均匀性极佳。图5d显示了FET阵列上的迁移率、亚阈值摆幅和阈值电压的统计分布，证实了器件性能的均匀性。图5e-f描述了短通道FET性能，在输出和传输特性中均表现出高饱和电流，而图5g显示了长通道FET传输特性和迁移率。图5h将2DCZ方法与其他MoS₂生长技术在峰值迁移率和最大域尺寸方面的比较，突出了2DCZ方法的优越性。

图5 | MoS₂ FET的电子特性。

科学启迪

本文开发了一种2DCZ方法，用于生长具有厘米级晶畴的高均匀性、高晶体质量的晶圆级MoS₂，这将为传统二维材料生长方法带来创新。与传统的提拉法相比，该方法在熔融玻璃上实现了二维液体前驱体，抑制垂直结晶并促进横向面内结晶。通过对熔融液体前驱体中MoS₂的超快结晶过程（75 μm/s）进行原位表征，揭示了2DCZ机制的复杂性。与传统CVD的高度随机过程相比，该方法大大提高了MoS₂生长的质量、规模和效率。所得MoS₂展现出优异的电子性能，包括高迁移率（105.4 cm²/V·s）和大开态电流（443.8 μA/μm）。此外，2DCZ方法与硅基制造工艺相兼容，为二维过渡金属二硫化物的生长提供指导，进一步推进了二维材料的产业化。

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来源：Future远见