近期，中國人民大學劉燦副教授、北京大學劉開輝教授與合作者們先後發表 2 篇 Science，并被審稿人評價為“低維材料制造領域裡程碑式的工作”，而這背後是團隊近四年的努力和持續的技術攻關。
研究人員創新性地設計了一種“多重界面耦合原子制造”政策，不僅實作特定手性結構，還能夠實作相幹極化方向的二硫化鎢條帶制造，進而使得一維半導體陣列的“全同”控制成為可能 [1]。
在另一項研究中，他們首次提出“晶格傳質-界面外延”的菱方相二維晶體制備新範式 [2]，這種生長方式突破了二維材料表面生長中的層數自限制、堆垛結構不可控等局限性。
例如，能夠快速生長二維單晶，速率達到 50 層/分鐘；除此之外，還可控制逐層的單一方向，進而保證各層完全平行，最終達到厚層菱方相二維晶體結構。
“這是傳統表面生長方法長期以來難以突破的關鍵技術壁壘，該研究為新型功能化晶體的精準原子制造提供了新思路。”劉燦表示。
圖丨劉燦（來源：中國人民大學實體學院）
被評價為“低維材料制造領域裡程碑式的工作”
碳納米管、納米帶等一維材料發展至今 30 餘年來，由于其結構多樣性及複雜性，導緻其精準結構，尤其是手性指數和螺旋結構等原子尺度的控制，極其困難。
在該研究中的“多重界面耦合原子制造”政策具體表現為：
二硫化鎢（WS2）晶格排布方式與 WS2-藍寶石外延界面耦合直接相關；條帶軸向方向受鎢酸鈉（Na2WO4）前驅體-藍寶石原子級台階耦合作用限制；條帶的單一極化排布方向在 WS2-Na2WO4 前驅體耦合作用下被鎖定。
為控制表面原子級的台階和晶格排列的互相關系，研究人員精确地設計了特定晶面的藍寶石基底，使 WS2 條帶能夠實作精确的原子級制造，包括扶手椅型、之字型、手性結構（含左手手性、右手手性）等。
（來源：Science）
在研究初期，當研究人員看到完全平行的條帶陣列時，非常興奮。
劉燦表示：“受啟發于早期在一維碳納米管陣列的研究基礎，當我們看到平行排布的 WS2 陣列總是伴随着尖端顆粒，就馬上聯想到類似碳管的由催化劑顆粒為起點進行的生長模式。”
而且，它們的方向，總是受到 a 面藍寶石氧密排原子級台階限制，這也是超密碳管陣列的排布規律。
經過手性結構指認，研究人員所獲得的 WS2 條帶全部是之字型的。但事實上，僅僅是這種非手性的陣列不足為奇。
直到後來，伴随領域科學家對二維體系外延單晶的控制制備機理的深入探究，研究人員意識到，或許可以将這種二維材料的設計思路“反向”用在解決一維材料的問題。
于是，他們嘗試利用襯底晶格“鎖定”晶格方向，利用台階“引導”條帶方向。嘗試後，發現效果非常顯著，并能夠按照預期去控制各類結構。
“那天看到結果出來時，我們都非常激動，一直讨論到深夜。”劉燦回憶道。
圖丨具有可控手性與相幹極性 WS2 條帶陣列制造及自發光電流內建輸出（來源：Science）
需要了解的是，該研究中的“全同”制造，與量子力學中“全同”的概念并不相同。
實體中的“全同”是指，不同粒子在所有可觀測實體屬性上完全相同的特性。
而該研究借用“全同”概念，是想表達 WS2 條帶的特征實體屬性是一緻的，包括：陣列中所有 WS2 條帶的方向、手性結構、極性方向等。
在此之前，同時控制這麼多參量，在一維領域是極具挑戰、長期以來很難實作的事情。
日前，相關論文以《具有可控手性與相幹極性的二硫化鎢條帶陣列》（WS2 ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity）為題，發表在 Science 上 [1]。
北京大學博士生薛國棟和郭泉林、博士後周子琦、昆明理工大學左勇剛副教授是共同第一作者，北京大學劉開輝教授、中國人民大學劉燦副教授、中國科學院半導體研究所魏鐘鳴研究員和中國科學院深圳先進技術研究院丁峰研究員為共同通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Science）
高密度排布的平行一維陣列，是內建光電晶片高效能量收集及轉化的前提。
具有可控手性與相幹極性的 WS2 條帶陣列，有望推動自驅動光電探測及新機理太陽光伏等領域的技術發展。
未來，研究人員将更加關注一維材料中的相關物态及性能研究，例如，豐富的邊緣态、極限尺寸半導體以及非正常光伏器件等。
為新型功能化光學晶體的精準原子制造提供新思路
在另一項研究中，研究人員發展了一種“晶格傳質-界面外延”生長二維疊層晶體的新方法。
首先，原子通過襯底的晶格傳輸到襯底表面，形成“第一層晶體”。之後，新增的原子持續地以晶格為媒體，傳輸到襯底與首層晶體的界面空間。
最後，頂着此前已經形成的、位于上方的晶體層進行生長，并以這種方式持續地形成新的晶體層。
值得關注的是，在二維單晶表面外延生長中的各種表面調控手段，例如，台階調控晶疇的單一取向、不同晶疇間的無縫拼接等，都能夠在該界面中得以保留。
也就是說，每一層晶體都是在同一個襯底表面上被加工出來的，相當于從相同模闆複刻出來的“同胞兄弟”。
這些層彼此之間平行排布，在上層晶體的共同作用下，會形成一個特殊的菱方相晶體結構。
“制備該結構的要求非常苛刻，往往無法通過表面生長直接獲得，而我們的‘晶格傳質-界面外延’為其提供了可能性。”劉燦說。
圖丨發展“晶格傳質-界面外延”生長新範式，制備晶圓級菱方相二維過渡金屬硫族化合物單晶（來源：Science）
二維過渡金屬硫族化合物（TMD，Transition Metal Dichalcogenides）具備超薄的厚度、層數依賴的能帶結構、高載流子遷移率等特性，在新一代先進制程電學器件方面表現出應用潛力。
該研究制備的是從單層到 15000 層的 TMD 材料，最為重要的是，TMD 層間是完全平行取向排布的，層間構成 3R 菱方相的堆垛結構。
這類 3R-TMDs 的少層在電學方面，具有高載流子遷移率和高電流密度的優勢，是 5nm 以下技術節點內建電路的理想溝道材料。
該研究中的單層、雙層、三層硫化钼的遷移率分别高達 137cm2 V−1 s−1、155cm2V−1 s−1 和 190cm2 V−1 s−1，達到國際器件與系統路線圖 2028 年半導體器件遷移率目标。
相較于常見的六方相 2H-TMDs，3R-TMDs 獨特的堆垛結構帶來了更多樣化的特性。
例如，界面極化反轉的鐵電性、高能效體光伏效應和相幹增強非線性光學響應等。
微米級厚層 3R-TMDs 在準相位比對條件下，實作了近紅外波段高能效差頻轉換效率，較單層提升了 5 個數量級。
最終，相關論文以《多層菱方相過渡金屬硫族化合物單晶的界面外延》（Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals）為題發表在 Science 上 [2]。
北京大學博士生秦彪和郭泉林、博士後馬超傑，中國科學院實體研究所博士生李修瑧是共同第一作者，北京大學劉開輝教授、中國人民大學劉燦副教授、中國科學院實體研究所張廣宇研究員為共同通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Science）
接下來，研究人員将繼續挖掘這種材料制備新範式的可能性，在高品質二維晶體，尤其是面向光學晶體非線性頻率轉化應用的晶體制備和技術創新方向持續探索。
結合該課題組此前提出的轉角相位比對理論和該材料的優勢，他們将進一步探索開發小型化、內建化光電器件及光子晶片的可能性。
參考資料：
1.Xue,G. et al. WS2 ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity. Science 384, 6700,1100-1104(2024). https://doi/10.1126/science.adn9476
2.Qin,B. et al. Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals. Science 385, 6704，99-104(2024). https://doi.org/10.1126/science.ado6038
排版：劉雅坤