研究背景

批量生产大规模高质量2D过渡金属二硫化物（TMDCs）是2D器件工业制造中的一大挑战。尽管通过改进的化学气相沉积（CVD）已经成功生长晶片级MoS2单晶，以单向对齐的方式合并大量微米级域。然而，多核生长法受到不完美剪接引起的平移晶界的影响，这会导致高缺陷密度和低器件均匀性，从而限制了2D材料的应用。或者，从单个核合成宏观晶片级单层单晶提供了另一种可行方法。但由于CVD的高成核密度和缓慢的生长速率，TMDCs晶畴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。例如，提拉法（Czochralski）能够生产涉及从液体源到单晶硅锭的液固（L-S）转变的块状单晶。液态前驱体，如钼酸钠或钨酸盐液滴，因其低熔点而被引入以促进TMDCs的生长。然而，由于液体前驱体的小润湿面积和传统基板上高成核密度的限制，L-S反应只能获得亚毫米级TMDC畴。因此，在可润湿基底上建立大规模2D液体前驱体并降低成核密度是在类似提拉工艺的过程中生长大规模2D TMDCs的关键先决条件。

研究成果

近日，北京科技大学张跃院士&张铮教授报道了一种二维空间中的液固结晶方法，能够快速生长无晶界的厘米级单晶MoS2畴。所获得的大型MoS2单晶显示出极好的均匀性和高质量，具有超低的缺陷密度。通过对基于MoS₂制备的场效应晶体管进行统计分析发现，该FET具有高器件产量和最小的迁移率变化，堪称先进的标准单层MoS2器件。这种2D提拉法对制造高质量和可扩展的2D半导体材料和器件具有重要意义。相关研究工作以“Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS2”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

研究内容

这项研究提出了一种二维直拉法（2DCZ），用于可靠生长厘米级单晶MoS2畴。具体而言，采用固-液-固工艺，将多晶MoS2成功转化为单晶MoS2。首先，在熔融玻璃基板上，通过氧气与预沉积的多晶MoS₂之间的蚀刻反应以及退火工艺，形成大规模的二维液体前驱体膜。然后，通过超快硫化过程，在原子光滑界面上获得了大面积的MoS2畴。所生长MoS2畴的尺度为1.5cm，缺陷密度为2.9×1012cm-2。此外，低成核密度降低了MoS2薄膜与基材之间的附着力，有助于在去离子水的辅助下实现超清洁、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55cm2·V-1·s-1，变化率仅为15.9%。短沟道FET实现了443.8μA·μm-1的高饱和电流。FET的最佳迁移率为105.4cm2·V-1·s-1。MoS2薄膜的高质量和均匀性，使FET阵列展现出令人瞩目的电气性能，从而推动了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畴的2DCZ结晶

图2. T2DCZ机制

图3. MoS2和基材之间的转移和粘附

图4. MoS2均匀性和晶体质量的表征

图5. MoS2 FETs的电子特性

结论与展望

这项研究成功开发了一种2DCZ方法，用于生长具有厘米级畴的高均匀性和高晶体质量的晶片级MoS2，这有望引领传统2D材料生长方法的革新。与传统的提拉法工艺相比，2DCZ方法在熔融玻璃上实现了2D液体前驱体，有效抑制了垂直结晶，并促进横向平面内结晶。值得注意的是，熔融液体前驱体中MoS2的超快结晶过程（75μm·s-1）得到了原位表征，揭示了2DCZ机制的复杂性。与传统CVD的高度随机过程相比，这种方法大大提高了MoS2生长的质量、规模和效率。此外，所制备的MoS₂展现出先进的电子性能，包括高达105.4cm2·V-1·s-1的迁移率和443.8μA·μm-1的导通电流，进一步凸显了其优越性。2DCZ方法与硅基制造工艺相一致，为2D TMDCs的生长提供了指导，有力推动了2D材料的工业化。