論文DOI：10.1002/advs.202105201近日，Advanced Science期刊在線發(fā)表了北京科技大學王榮明教授團隊在單晶二維材料外延生長領(lǐng)域的最新綜述文章，該論文系統(tǒng)討論并總結(jié)了三種代表性二維材料（包括石墨烯、六方氮化硼以及過渡金屬硫族化合物）在不同襯底上的四種外延生長模式，論文共同第一作者為北京科技大學特聘副教授張智宏及碩士研究生楊曉楠，通訊作者為北京科技大學王榮明教授。隨著技術(shù)的不斷升級，基于傳統(tǒng)硅材料的芯片性能已經(jīng)達到物理極限，而二維材料由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)及獨特的物理特性，被公認為是最有可能取代硅并構(gòu)建新一代高性能光電器件的材料之一。而實現(xiàn)二維材料芯片的前提條件是高質(zhì)量二維單晶的規(guī)?；苽洹?/span>目前，利用外延生長的方法，幾種常見二維材料已經(jīng)實現(xiàn)晶圓級甚至米級單晶的制備。但是對于二維材料外延生長的機理仍缺少全面而深刻的探討。在本文中，我們聚焦于半金屬石墨烯、半導(dǎo)體過渡金屬硫族化合物和絕緣體六方氮化硼的外延生長，分析、總結(jié)出二維材料在不同襯底上的外延生長模式，并對不同外延生長模式的特點進行討論與歸納，最后對二維單晶制備未來的發(fā)展進行了展望。(1) 基于已有研究進展，以二維材料與襯底之間的相互作用為依據(jù)，系統(tǒng)地討論并總結(jié)出二維材料在不同襯底上的外延生長模式。(2) 重點討論了不同外延模式下二維材料形核生長特點以及二維材料與襯底的外延關(guān)系。外延生長是指在單晶襯底上生長與襯底具有特定晶格取向關(guān)系的薄層晶體（即外延層）的生長方式。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝中，外延生長是制備單晶薄膜的重要方法之一。隨著二維材料的興起，研究者發(fā)現(xiàn)在合適的單晶襯底上同樣可以實現(xiàn)二維材料的外延生長。由于二維材料無表面懸掛鍵的特點，二維材料的外延生長與傳統(tǒng)體材料存在很大的差異。決定二維材料外延生長行為的關(guān)鍵因素是二維材料與襯底的相互作用。我們以此為依據(jù)，系統(tǒng)地討論并總結(jié)了不同襯底上二維材料的外延生長模式，包括范德華（van der Waal epitaxy）、邊緣外延（edge epitaxy）、臺階誘導(dǎo)外延（step-guided epitaxy）以及面內(nèi)外延（in-plane epitaxy）（圖1）。要點1：在范德華外延中，二維材料與襯底的相互作用為范德華相互作用（襯底表面無懸掛鍵）或準范德華相互作用（惰性襯底表面有懸掛鍵）；二維材料與襯底結(jié)合較弱，二維材料具有“旋轉(zhuǎn)-取向”的外延生長行為：形核具有隨機取向，通過旋轉(zhuǎn)減小體系能量而達到取向一致。在多數(shù)情況下，二維材料生長最慢的邊（通常為zigzag邊）與襯底高對稱方向平行時體系能量最低。要點2：邊緣外延通常發(fā)生在金屬襯底上。由于金屬襯底具有較高的化學活性，表面原子能夠與二維材料邊緣懸掛鍵發(fā)生較強的相互作用甚至形成化學鍵；因此，在邊緣外延中，二維材料在形核初期就具有確定的取向。邊緣外延中，二維材料與襯底的外延關(guān)系同范德華外延相同。要點3：高指數(shù)晶面（或近鄰面）襯底表面具有平行排列的原子級臺階結(jié)構(gòu)，二維材料易于在臺階邊緣形核，并與臺階邊緣原子發(fā)生強相互作用并形成化學鍵；因此，在臺階誘導(dǎo)外延中，二維材料在形核初期就具有確定的取向。臺階邊緣與二維材料邊緣原子晶格匹配是外延生長的前提之一，臺階方向與二維材料邊緣構(gòu)型共同決定二維材料取向。要點4：面內(nèi)外延是指一種二維材料在另一種具有相同晶格結(jié)構(gòu)二維材料的邊緣外延生長，兩種材料在界面處形成共價鍵，具有相同的晶格取向，所形成的結(jié)構(gòu)也稱為面內(nèi)異質(zhì)結(jié)。面內(nèi)外延同傳統(tǒng)外延類似，對外延體系的晶格匹配有嚴格要求。二維材料與襯底的相互作用決定了外延生長模式及外延生長行為；同時，相互作用的強弱決定了外延生長的難易程度，我們從能量角度出發(fā)進行了系統(tǒng)的討論（圖2）。圖2. 不同外延生長模式下二維材料與襯底的結(jié)合能（左）以及二維材料平行、反平行晶疇與襯底結(jié)合能差（右）要點1：由于相互作用較弱，襯底對二維材料生長的影響較小，范德華外延生長條件控制要求較高，同時具有三次對稱性的二維材料（如六方氮化硼和硫族金屬化合物）無法實現(xiàn)單一取向晶疇生長，通常都存在反平行晶疇。要點2：相比于范德華外延，由于二維材料邊緣與襯底的相互作用較強，邊緣外延更容易實現(xiàn)。但是同范德華外延相似，具有三次對稱性的二維材料無法實現(xiàn)單一取向晶疇生長（平行、反平行晶疇與襯底結(jié)合能差異較?。?。要點3：在臺階誘導(dǎo)外延中，二維材料與襯底的結(jié)合能與邊緣外延接近，但是臺階的存在能夠打破二維材料平行、反平行晶疇與襯底結(jié)合能的簡并，故而能夠?qū)崿F(xiàn)單一取向晶疇生長。要點4：在面內(nèi)外延中，兩種二維材料通過共價鍵結(jié)合，晶格失配越小，外延生長越容易實現(xiàn)。(1) 關(guān)注二維材料與襯底的相互作用，討論并總結(jié)四種不同的二維材料外延生長模式；并從能量角度出發(fā)，系統(tǒng)梳理不同外延模式下制備二維單晶的難易程度，希望能夠為未來二維單晶的規(guī)?；苽涮峁├碚撘罁?jù)。(2) 二維材料制備未來發(fā)展方向是疊層單晶材料的制備，但目前在層數(shù)、轉(zhuǎn)角控制等方面仍然存在很多挑戰(zhàn)，解決問題的關(guān)鍵之一是充分理解二維材料的形核過程，而具有高時空分辨的原位生長及表征技術(shù)將成為探索二維材料形核過程物理模型的有效手段。王榮明，國家百千萬人才工程入選者，被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，享受國務(wù)院政府特殊津貼，愛思唯爾中國高被引科學家。長期從事先進物質(zhì)的界面精細結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)控、表征和物理性質(zhì)研究，在包括Nat. Catal.、Sci. Adv.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.等發(fā)表SCI論文超過250篇，SCI引用超過10,000次，H因子56，曾獲國家自然科學獎二等獎、教育部自然科學獎一等獎、中國材料研究學會科學技術(shù)獎一等獎等。
