1 工作简介

         ——二维熔融液面限域生长法：面向后摩尔时代的二维 MoS₂单晶晶圆制备技术突破

当前集成电路发展正面临后摩尔时代尺寸微缩极限带来的制程发展放缓和人工智能应用带来的算力需求激增的双重挑战，发展新材料是应对这一挑战的重要技术路线之一。在众多材料体系中，二硫化钼（MoS₂）为代表的二维半导体材料是最具竞争力的材料之一。然而，为了满足集成电路应用需求，实现二维MoS₂的大规模、高质量、 大尺寸晶圆制备是重要前提条件。

北京科技大学前沿交叉科学技术研究院张跃院士团队针对二维半导体材料大面积单层单晶材料制备难的关键挑战，创制了二维熔融液面限域生长法（Two-dimensional Czochralski growth）的学术思想，创新提出了以熔融态玻璃为衬底、熔融态钼酸钠为反应前驱体构筑互不相容的超临界生长界面，抑制了二维半导体材料的多点形核，促进了面内快速扩散长大，实现了目前尺寸最大的单层MoS₂单晶晶畴的快速生长，并成功实现了2英寸 MoS₂晶圆的快速制备，生长速率快至75 μm s^-1，缺陷密度低于 2.9×10¹² cm^-2。进而成功制备出高性能、高均一性的晶体管阵列，实现多种逻辑门功能。本工作以二维MoS₂单晶的大尺寸生长与规模化集成电路为目标，围绕解决二维前驱体铺展与单晶快速结晶、实现机理剖析与器件的规模化制备等关键问题，推动二维MoS₂材料从实验室的精细化制备向工业化的集成应用前进。

相关研究成果以 Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS₂为题发表于《自然•材料》（Nature Materials, 2025, 24(2): 188-196），并选为2025年1月封面文章，是ESI高被引论文；被Science、Nature Materials、Nature Electronics、Nature review materials等期刊进行亮点评述和报道。

2 主要作者简介

第一作者

姜鹤，北京科技大学前沿交叉科学技术研究博士后。

2025年毕业于北京科技大学，研究方向是二维半导体材料合成，以第一作者在Nature Materials上发表论文1篇，申请授权国家发明专利1项，美国发明专利1项，研究成果被Nature Review Materials、Science、Nature Materials、Nature Electronics、Science China Materials等期刊专题报道。

共同第一作者

张先坤，北京科技大学未来芯片二维半导体材料与器件研究中心主任、博导、国家级青年人才。

近年来，主要从事突破尺寸极限的新型TMDC材料及其在集成电路基础半导体器件的应用研究，在二维TMDC材料的控制生长、异质结构筑与界面调控、高性能器件设计与构筑方面取得了多项创新成果。在低维半导体材料与器件领域发表原创论文40余篇，包括Science、Nature Materials、Nature Electronics、Nature Communication、Advanced Materials、ACS Nano等第一/通讯作者论文31篇。

共同第一作者

何晓宇，北京科技大学前沿交叉科学技术研究院博士生，导师张铮教授。

工作集中于二维过渡金属硫族化合物材料与器件研究，包括晶体管构筑与逻辑器件集成。

共同第一作者

陈匡磊，北京科技大学前沿交叉科学技术研究院博士生，导师张跃教授。

工作集中于二维过渡金属硫族化合物材料与器件研究，包括晶体管构筑与逻辑器件集成。

通讯作者

张跃，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。现任北京科技大学新金属材料国家重点实验室主任、北京科技大学前沿交叉科学技术研究院院长。

从事低维半导体材料及其服役行为的研究，致力于将低维半导体材料前沿研究和国家重大需求相结合，在信息、能源和传感领域关键材料与器件应用的基础理论、制备技术和工程应用方面做出了系统性、创新性重要贡献。在Science、Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Energy、Nature Electronics等国内外期刊上发表SCI论文450余篇。

通讯作者

张铮，北京科技大学前沿交叉科学技术研究院副院长、北京科技大学材料科学与工程学院材料物理与化学系主任，先后入选国家高层次青年人才和国家高层次人才计划。 

近年来，聚焦二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）及其半导体器件，建立了材料电学性能的缺陷工程调控方法，控制制备高质量二维TMDCs材料；提出了新原理全二维范德华半导体器件的设计思路与构筑方法，发展了与硅技术兼容的器件构筑方法，研制出性能满足应用要求的晶体管器件，实现了逻辑互联和光电耦合功能，有力推动了二维半导体材料在下一代集成电路的应用。在Nature、Science、Nature Materials、Nature Electronics、Nature Energy、Nature Communication、Advanced Materials、ACS Nano等期刊发表论文130余篇。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41563-024-02069-7