《自然》：MIT工程师培育“完美的”原子薄材料

诸平

By depositing atoms on a wafer coated in a “mask” (top left), MIT engineers can corral the atoms in the mask’s individual pockets (center middle), and encourage the atoms to grow into perfect, 2D, single-crystalline layers (bottom right). Credit: Jeehwan Kim, Ki Seok Kim, et. al

据美国麻省理工学院(Massachusetts Institute Of Technology简称MIT)2023年2月7日报道，麻省理工学院工程师培育“完美的”原子薄材料（MIT Engineers Grow “Perfect” Atom-Thin Materials）。通过在涂有“掩模（mask）”（上图左上角）的晶片上沉积原子，麻省理工学院的工程师可以将原子围在“掩模”的各个口袋（中间），并鼓励原子生长成完美的2D单晶层（右下角）。

他们的方法可以让芯片制造商利用硅以外的材料制造下一代晶体管。根据摩尔定律（Moore’s Law），自20世纪60年代以来，微芯片上的晶体管数量每年翻一番，但随着现代晶体管的基础硅在器件尺寸低于一定尺寸时失去其电学特性，这种增长预计将达到极限。

进入2D材质--精致的、由完美晶体组成的二维薄片，其厚度与单个原子一样薄。在纳米尺度上，2D材料可以比硅更高效地传导电子。因此，对下一代晶体管材料的研究集中在2D材料上，作为硅的潜在替代品。

但在电子工业向2D材料过渡之前，科学家们必须首先找到一种方法，在工业标准的硅片上制造2D材料，同时保持其完美的晶体形态。麻省理工学院（MIT）的工程师们现在可能有了一个解决方案。

该团队开发了一种方法，可以让芯片制造商利用2D材料在现有的硅片和其他材料上生长，从而制造出更小的晶体管。这种新方法是一种“非外延单晶生长”（“nonepitaxial, single-crystalline growth”）的形式，该团队首次使用这种方法在工业硅片上生长纯净无缺陷的2D材料。

通过他们的方法，该团队用一种称为过渡金属二硫化物(transition-metal dichalcogenides简称TMDs)的2D材料制作了一个简单的功能晶体管，这种材料在纳米尺度上的导电性比硅更好。

麻省理工学院机械工程副教授吉万·金（Jeehwan Kim）说：“我们希望我们的技术能够帮助开发基于2D半导体的高性能下一代电子设备。我们利用2D材质找到了一种追赶摩尔定律的方法。”

吉万·金和他的同事2023年1月18日在《自然》（Nature）杂志网站发表的一篇论文中详细介绍了他们的方法。详见：Ki Seok Kim, Doyoon Lee, Celesta S. Chang, Seunghwan Seo, Yaoqiao Hu, Soonyoung Cha, Hyunseok Kim, Jiho Shin, Ju-Hee Lee, Sangho Lee, Justin S. Kim, Ki Hyun Kim, Jun Min Suh, Yuan Meng, Bo-In Park, Jung-Hoon Lee, Hyung-Sang Park, Hyun S. Kum, Moon-Ho Jo, Geun Young Yeom, Kyeongjae Cho, Jin-Hong Park, Sang-Hoon Bae, Jeehwan Kim. Non-epitaxial single-crystal 2D material growth by geometric confinement. Nature, 2023 Feb; 614(7946): 88-94. DOI: 10.1038/s41586-022-05524-0. E-Published: 18 January 2023. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05524-0

参与此项研究的除了来自MIT的研究人员之外，还有来自韩国水原市成均馆大学（Sungkyunkwan University, Suwon-si, South Korea）、，韩国浦项市基础科学研究所（Institute for Basic Science简称IBS, Pohang, South Korea）、韩国大田市工业表面高级涂饰研究公司（Industrial Surface Advanced Coating Research简称ISAC Research, Daejeon, South Korea）、韩国首尔延世大学（Yonsei University, Seoul, South Korea）、韩国浦项科技大学(Pohang University of Science and Technology简称POSTECH, Pohang, South Korea)；美国德克萨斯大学达拉斯分校（The University of Texas at Dallas, Richardson, TX, USA）、美国加州大学河滨分校（University of California, Riverside, Riverside, CA, USA）以及美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis, St. Louis, MO, USA）的研究人员。

晶体拼接（A crystal patchwork）

为了制作2D材料，研究人员通常会采用人工方法，将原子级的薄片从大块材料上小心地剥离出来，就像剥去洋葱的层层。

但大多数块体材料都是多晶体，包含多个随机方向生长的晶体。当一个晶体与另一个晶体相接时，“晶界（grain boundary）”就像一个电屏障。当电子与另一方向不同的晶体相遇时，任何流经晶体的电子都会突然停止，从而降低材料的导电性能。即使是在剥落2D薄片之后，研究人员也必须在薄片上寻找“单晶（single-crystalline）”区域--这是一个繁琐且耗时的过程，很难在工业规模上应用。

最近，研究人员发现了制造2D材料的其他方法，即在蓝宝石（sapphire）晶片上生长2D材料。蓝宝石晶片上的原子呈六边形，可以促进2D材料以相同的单晶方向组装。

吉万·金说：“但是没有人在内存或逻辑工业中使用蓝宝石，所有基础设施都是基于硅的。对于半导体加工，你需要使用硅片（silicon wafers）。然而，硅片缺少蓝宝石的六边形支撑支架。当研究人员试图在硅上生长2D材料时，结果是晶体随机拼凑，杂乱地融合在一起，形成了许多阻碍导电性的晶界。

“在硅上生长单晶二维材料几乎是不可能的，” 吉万·金说。“现在，我们向您展示您可以做到。我们的诀窍是防止晶界的形成。”

晶种袋（Seed pockets）

该团队的新“非外延单晶生长（nonepitaxial, single-crystalline growth）”不需要剥去和寻找2D材料的薄片。相反，研究人员使用传统的气相沉积法将原子泵送到硅片上。原子最终落在晶圆上并成核，形成二维晶体取向。如果任其自然，晶体的每个“核”或“晶种”将在硅片上以随机方向生长。但是吉万·金和他的同事们找到了一种方法，将每个生长中的晶体排列在一起，从而在整个晶片上形成单晶区域。

为此，他们首先在硅片上覆盖了一层二氧化硅“掩膜（mask）”，将其图案化为小口袋，每个小口袋都用来捕获晶种。然后，他们让原子气体穿过掩蔽的晶圆，这些原子会进入每个小口袋，形成2D材料--在本例中，就是TMD。掩膜的口袋将原子围起来，鼓励它们以相同的单晶方向聚集在硅片上。

吉万·金说：“这是一个非常令人震惊的结果，即使2D材料和硅片之间没有外延关系，单晶的生长无处不在。”

该团队通过掩蔽法制作了一个简单的TMD晶体管，并显示其电气性能与相同材料的纯薄片一样好。

他们还将该方法应用于设计多层器件。在用有图案掩模覆盖硅片后，他们生长一种2D材料来填充每个正方形的一半，然后在第一层上生长第二种2D材料来填充其余的正方形。其结果是在每个正方形内形成了超薄的单晶双层结构。吉万·金说，未来，多种2D材料可以通过这种方式生长并堆叠在一起，从而制成超薄、灵活、多功能的薄膜。

“到目前为止，还没有办法在硅片上制造出单晶形式的2D材料，因此整个行业几乎放弃了为下一代处理器开发2D材料的努力。”吉万·金说，“现在，我们已经完全解决了这个问题，我们可以制造出小于几纳米的器件。这将改变摩尔定律的范式。”

本研究得到了美国国防部高级研究计划局(DARPA award no. 029584-00001)、美国国家科学基金(NSF grant no. CMMI-1825731)、英特尔（Intel）、美国情报高级研究计划署MicroE4AI计划（IARPA MicroE4AI program）、微联设备公司（MicroLink Devices, Inc.）、日本罗姆公司（ROHM Co.）、韩国三星（Samsung）、韩国国家研究基金会(National Research Foundation of Korea简称NRF, 2022M3H4A1A04096496)、韩国基础科学研究院(Institute for Basic Science, IBS-R034-D1) 的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Two-dimensional (2D) materials and their heterostructures show a promising path for next-generation electronics ^1,2,3. Nevertheless, 2D-based electronics have not been commercialized, owing mainly to three critical challenges: i) precise kinetic control of layer-by-layer 2D material growth, ii) maintaining a single domain during the growth, and iii) wafer-scale controllability of layer numbers and crystallinity. Here we introduce a deterministic, confined-growth technique that can tackle these three issues simultaneously, thus obtaining wafer-scale single-domain 2D monolayer arrays and their heterostructures on arbitrary substrates. We geometrically confine the growth of the first set of nuclei by defining a selective growth area via patterning SiO₂ masks on two-inch substrates. Owing to substantial reduction of the growth duration at the micrometre-scale SiO₂ trenches, we obtain wafer-scale single-domain monolayer WSe₂ arrays on the arbitrary substrates by filling the trenches via short growth of the first set of nuclei, before the second set of nuclei is introduced, thus without requiring epitaxial seeding. Further growth of transition metal dichalcogenides with the same principle yields the formation of single-domain MoS₂/WSe₂ heterostructures. Our achievement will lay a strong foundation for 2D materials to fit into industrial settings.