首次，人工合成大型二維WS2晶體

中韓研究人員首次培育出大型的二維材料單層晶體，即二硫化鎢（WS₂）。這些晶體生長在藍寶石基底上，直徑超過3釐米，可能成為下一代半導體技術中矽的替代材料。

由於矽基半導體正在迅速接近其性能的極限，因此研究人員正在尋求新的材料來取代它們。2D材料，如石墨烯（所有2D材料中最著名的一種）和二硫化鎢在這方面顯示出巨大的前景。後者屬於一個被稱為過渡金屬二氯化物（TMDs）的材料家族，所有這些材料的化學式都是MX2（其中M是過渡金屬，如鎢或鉬，X是一種黃銅，如硫、硒或碲）。

TMDs有一個特殊的性質。雖然它們在游離形式下是間接帶隙半導體，但當縮小到單層厚度時，它們就成為直接帶隙半導體。這些單層材料能有效地吸收和發射光線，因此可以應用在光電子裝置中，如發光二極體、雷射器、光電探測器或太陽能電池。它們還可用於製造低功耗電子器件的電路、低成本或柔性顯示器、感測器，甚至可塗在各種表面的柔性電子器件。

然而迄今為止，以往的研究證明很難在絕緣晶圓規模的襯底上將TMD生長為單晶結構-這是構建超大規模高性能半導體電路的必要條件。因為TMDS的晶格不是對稱的，致使材料在大多數基底表面反平行排列。

由中國北京大學的劉開輝和韓國基礎科學研究所（IBS）多維碳材料中心的丁峰領導的兩個團隊，與復旦大學的合作者一起，現在已經克服了這個問題。受到在藍寶石上排列納米管的晶體生長技術的啟發，劉、丁及其同事在沿特定平面切割的角度僅為0.1°的單晶藍寶石襯底上生長出二維WS₂。

這種藍寶石結構被稱為臨近a面藍寶石（或a-Al2O3）。研究人員稱之為“雙耦合引導外延生長”的方法，有利於二硫化鎢和藍寶石邊緣之間的耦合，打破了基底上二硫化鎢的反平行分佈。因此，在基底上生長的所有TMD單晶都沿單一方向排列，之後，這些小單晶凝聚在一起，產生一個更大的單晶，與基底的尺寸相匹配。

研究人員表示，他們在基於2D材料的設計上邁出了一大步，這可能助力2D半導體在電子和光學設備的高端應用中的發展。

展望未來，該團隊成員現在正忙於開發下一代培養大型二維WS₂晶體的技術和理論。丁告訴《物理世界》：“我們將為提高合成的2D材料的品質做出巨大努力，甚至在未來控制它們的厚度。”

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