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中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-002）——非中心对称二维单晶材料通用制备

已有 2141 次阅读 2023-2-23 13:42 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——非中心对称二维单晶材料通用制备

华南师范大学徐小志教授、北京大学刘开辉教授和深圳理工大学丁峰教授合作，在低维单晶材料生长方面取得重要进展，实现了非中心对称二维单晶过渡金属硫族化合物的通用制备。该研究成果以“Universal epitaxy of non-centrosymmetric two-dimensional single-crystal metal dichalcogenides”为题，于2023年2月4日在线发表在《Nature Communications》上，并入选编辑推荐（Editor's Highlight）。

二维单晶材料的制备对于其未来在电子、光电子等领域的应用具有重要意义。在理论预测的1800多种二维材料中，超过99.5%的材料是非中心对称的。这些非中心对称二维材料外延生长的最大挑战是打破反向晶畴在大多数衬底上的能量简并性。尽管这一追求在氮化硼和过渡金属硫族化合物的外延生长中已经部分实现，但决定非中心对称二维材料外延的关键因素目前仍然有很大的争议。

在这项工作中，研究组报道了一种在时间维度上控制晶畴成核与衬底表面台阶形成先后顺序的方法，实现了非中心对称二维单晶过渡金属硫族化合物材料的通用制备。通过这种方法，研究组在不同类型的Al₂O₃ (a、c、m、n、r和v面)、MgO和TiO₂衬底上均实现了MoS₂晶畴的单一取向生长。这种方法也适用于其它过渡金属硫族化合物的外延制备，如WS₂、NbS₂、MoSe₂、WSe₂和NbSe₂等。理论计算表明，衬底上未成熟的台阶极大地促进了晶畴在台阶边缘附近成核，并促成了二维晶畴的单一取向生长，并且这种生长不受台阶方向的影响。这项研究揭示了在不同衬底上生长各种非中心对称二维单晶的通用机制，从而为其潜在应用铺平了道路。

图1. 二硫化钼在各种衬底上的取向一致生长。

华南师范大学硕士生郑培铭、青年英才特聘研究员魏文娅、博士生梁智华、北京大学博士生秦彪为论文共同第一作者，华南师范大学徐小志教授、北京大学刘开辉教授、深圳理工大学丁峰教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划课题、广东省基础与应用基础研究重大项目、广东省杰出青年基金、广东省重点领域研发计划、华南师范大学物理学一流学科建设经费等的支持。

2 作者简介

通讯作者

徐小志，华南师范大学物理与电信工程学院教授，博士生导师。

主要从事大尺寸二维单晶材料的生长设计与物态调控研究，代表性成果包括：（1）提出利用表面悬挂键断裂释放局域元素调控二维材料生长动力学势垒和热力学能级的方法，实现石墨烯超快生长；（2）提出利用表面原子结构调控二维材料生长的方法，实现了大尺寸单晶石墨烯、氮化硼和过渡金属硫族化合物制备；（3）提出利用表面能与界面能调控晶面指数的方法，实现30余种A4尺寸高指数单晶铜箔制造。发表通讯/（共同）第一作者论文17篇，包括Nature正刊2篇、Nature子刊4篇，获授权发明专利19项。主持国家重点研发计划课题、广东省重点领域研发计划、广东省杰出青年基金等项目。入选“2019中国十大新锐科技人物”、“2017博士后创新人才支持计划”等。研究工作入选2020年度中国重大技术进展、2020年中国半导体十大研究进展。目前担任《Materials futures》、《Frontiers of physics》杂志青年编委。

通讯作者

刘开辉，北京大学物理学院教授，博士生导师。

主要从事米级二维单晶材料制备和纳米光谱学表征技术研究。近年来，在二维材料表界面生长调控、米级单晶薄膜通用制造技术、表界面耦合物理及器件方向取得了系列研究进展，发表SCI论文60余篇，其中包括通讯作者的Nature（2篇）、Nature子刊（14篇）、Adv Mater（7篇）、PNAS、JACS等；撰写综述文章8篇，主编专著1部，获授权发明专利30余项。获得2021年科学探索奖、2020年国家杰出青年基金和2019年北京市自然科学基金杰出基金等项目资助；担任国家重点研发计划负责人、Science Bulletin副主编。

通讯作者

丁峰，深圳先进院研究员、深圳理工大学教授。

分别在1993、1996和2002年在华中科技大学、复旦大学和南京大学的物理专业获得本科、硕士和博士学位。2003-2008年先后在瑞典哥德堡大学、查尔姆斯理工大学和美国莱斯大学从事碳材料的理论研究。2009年加入香港理工大学，2017年受聘于韩国蔚山国家科学技术研究所，担任杰出教授，ibs-cmcm担任理论组组长。主要研究方向是各种碳材料和二维材料在计算方法开发，理论探索，特别是其形成机制，成核，生长和蚀刻的动力学研究。截止目前发表了320篇SCI论文，其中发表在Nature 6篇, Science 2篇, Nature子刊以及PRL/JACS /Angew. Chem. Int. Ed./Adv. Mat.等期刊上的论文超过60篇。所发表论文共被引用了>21000次（google scholar），h指数77。