1 工作简介

         ——镧钝化蓝宝石上单晶过渡金属二硫属化物的稳健外延

二维半导体是延续集成电路摩尔定律的首选材料。然而，其产业化进程长期受限于一个根本性难题：无法在晶圆级尺度上批量制备高质量单晶薄膜。现有实验室级别的化学气相沉积（CVD）技术的单晶生长策略在晶圆尺寸、重复性和均一性等方面难以满足产业需求，而金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术虽然具备均匀性和规模化优势，但只能生产多晶材料，无法满足高端元器件需求。

针对这一难题，南京大学与苏州实验室的研究团队开创性地提出了“镧原子层钝化”的解决方案。通过在标准工业蓝宝石衬底上构建一层镧原子，成功将其表面对称性从P3降低至P1，从根本上打破了反平行晶畴的能量简并，将二者的形成能差提升了近200倍。这一巨大的热力学优势，强效驱动所有晶畴沿单一方向成核，确保了晶畴的单向排列进而长成单晶。

图1. 镧修饰的蓝宝石衬底上实现二维半导体单晶外延。

基于量产化的MOCVD技术和镧表面修饰的蓝宝石衬底，本研究实现了6英寸二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）、二硒化钨（WSe₂）和二硒化钼（MoSe₂）等二维半导体单晶的普适制备。多种光谱和电学表征技术证实了优异的材料质量和均一性，MoS₂和WS₂的平均迁移率分别高达110 cm²/(V·s)和131 cm²/(V·s)，单晶尺寸、器件性能同步刷新纪录，实现大尺寸与高质量兼得。

图2. 6英寸二维半导体单晶晶圆系列。

图3. 基于单晶MoS₂的场效应晶体管阵列。

本工作为二维半导体材料的可控生长开辟了新路径，实现了二维半导体单晶从实验室技术到量产化技术、从单一材料到多种材料普适性制备的跨越，标志着二维半导体产业化迈出关键一步，为集成电路、显示、传感等领域的规模化应用奠定了材料基础。

研究工作以题为“Robust epitaxy of single-crystal transition-metal dichalcogenides on lanthanum-passivated sapphire”发表于Science期刊（Science，390, eaea0849, 2025），通讯作者为李涛涛、丁峰、王欣然。

2 主要作者简介

共同第一作者

邹茜璐，南京大学电子科学与工程学院-苏州实验室联合培养博士生。

研究方向为二维半导体材料合成，聚焦于过渡金属硫族化合物单晶生长机理研究及其规模化制备。以第一作者在Science上发表论文论文1篇，申请/授权发明专利2项。

共同第一作者

赵圆圆，大连理工大学白俄罗斯国立大学联合学院博士生。

主攻AI for Materials前沿研究，聚焦蓝宝石晶面结构与二维过渡金属硫化物生长机制，以一作/共同一作发表本领域论文2篇。

共同第一作者

范东旭，南京大学集成电路学院博士后，毓秀青年学者。

2024年毕业于南京大学获得博士学位。主要从事高性能二维半导体器件和逻辑集成电路相关研究，在GHz工作频率的电路突破、产线兼容的二维半导体后道集成工艺开发及高密度高性能二维半导体微处理器芯片等领域取得多项突破性成果。与苏州国家实验室、台积电等企业和研究单位深入合作，以第一（含共同）作者在Science（2篇）、Nature Electronics（2篇）、IEEE VLSI、IEEE IEDM等高水平期刊发表论文10余篇，成果获得江苏省自然科学百篇优秀学术成果论文、固体微结构国家重点实验室优秀成果奖等奖励。获国家博士后资助计划、小米青年学者-科技创新奖等荣誉。

通讯作者

李涛涛，南京大学集成电路学院准聘副教授、苏州实验室双聘副研究员，博士生导师。国家优秀青年基金获得者，Information & Functional Materials青年编委。

聚焦于晶圆级二维半导体单晶制备，先后创制两代二维半导体单晶异质外延技术，相继突破2英寸、6英寸单晶制备瓶颈，持续引领国际前沿研究，并率先开辟产业化MOCVD单晶路线。近五年以第一/通讯作首(含共同)的研究成果发表在Nature、Science（2篇）、Nature Nanotechnology、Nature Materials 等期刊，引用4200余次，获中国、美国、日本专利授权10余项。获江苏省自然科学一等奖，入选小米青年学者、2D Materials 新锐青年科学家、姑苏创新创业领军人才(2022)，成果入选江苏省优秀博士学位论(2023)、中国半导体十大研究进展(2022)、京博科技奖、江苏省自然科学百篇优秀学术成果论文(2023)等。

通讯作者

丁峰，国际知名材料计算科学家，苏州实验室前沿材料部主任研究员。

曾先后任职于香港理工大学（助理教授、副教授）、韩国蔚山国立科技学院（杰出教授，系韩国教授体系最高职称），2022年底获评教育部长江学者讲座教授。研究方向聚焦人工智能驱动的材料多尺度计算与复杂体系动力学过程解析，致力于推动前沿材料与重大关键材料的智能化快速制造与研发。在材料动力学领域取得多项国际顶尖成果，其领衔的课题组在低维材料生长机制研究中处于国际领先地位；提出的低维材料生长理论获国际学术界广泛认可，已成功指导碳纳米管可控制造、二维材料大单晶制备、单晶金属及单晶石墨合成等一系列重大科学难题突破。迄今已在SCI收录期刊发表论文400余篇，其中包括Nature、Science正刊13篇，Nature/Science子刊50余篇，Physical Review Letters 10篇；论文总被引超3万次，h-index达89。

通讯作者

王欣然，南京大学集成电路学院党委书记，苏州国家实验室前沿材料研究部部长，教授，博导。

主要研究下一代信息材料、器件与集成电路，尤其是在二维半导体领域取得突出成果。主要成果包括：国际上首次突破晶圆级二维半导体单晶制备；发展最先进的欧姆接触、介质层集成等器件工艺，与华为合作研制出首个1nm节点晶体管器件；研制出多款二维半导体集成电路与类脑计算芯片；牵头建设国际领先的二维材料先导技术研发装置，积极推动二维材料从实验室走向产业应用。发表论文200余篇，总引用超过41000次。近10年以通讯作者在Science、Nature、Nature Nano.、Nature Electron.、Nature Rev. Phys.、Nature Commun.、IEEE IEDM等期刊和会议发表论文50余篇，12次入选高被引学者，授权中美发明专利10余项。

3 原文传递

https://doi.org/10.1126/science.aea0849