首次，人工合成大型二维WS2晶体

中韩研究人员首次培育出大型的二维材料单层晶体，即二硫化钨（WS₂）。这些晶体生长在蓝宝石基底上，直径超过3厘米，可能成为下一代半导体技术中硅的替代材料。

由于硅基半导体正在迅速接近其性能的极限，因此研究人员正在寻求新的材料来取代它们。2D材料，如石墨烯（所有2D材料中最著名的一种）和二硫化钨在这方面显示出巨大的前景。后者属于一个被称为过渡金属二氯化物（TMDs）的材料家族，所有这些材料的化学式都是MX2（其中M是过渡金属，如钨或钼，X是一种黄铜，如硫、硒或碲）。

TMDs有一个特殊的性质。虽然它们在游离形式下是间接带隙半导体，但当缩小到单层厚度时，它们就成为直接带隙半导体。这些单层材料能有效地吸收和发射光线，因此可以应用在光电子装置中，如发光二极管、激光器、光电探测器或太阳能电池。它们还可用于制造低功耗电子器件的电路、低成本或柔性显示器、传感器，甚至可涂在各种表面的柔性电子器件。

然而迄今为止，以往的研究证明很难在绝缘晶圆规模的衬底上将TMD生长为单晶结构-这是构建超大规模高性能半导体电路的必要条件。因为TMDS的晶格不是对称的，致使材料在大多数基底表面反平行排列。

由中国北京大学的刘开辉和韩国基础科学研究所（IBS）多维碳材料中心的丁峰领导的两个团队，与复旦大学的合作者一起，现在已经克服了这个问题。受到在蓝宝石上排列纳米管的晶体生长技术的启发，刘、丁及其同事在沿特定平面切割的角度仅为0.1°的单晶蓝宝石衬底上生长出二维WS₂。

这种蓝宝石结构被称为临近a面蓝宝石（或a-Al2O3）。研究人员称之为“双耦合引导外延生长”的方法，有利于二硫化钨和蓝宝石边缘之间的耦合，打破了基底上二硫化钨的反平行分布。因此，在基底上生长的所有TMD单晶都沿单一方向排列，之后，这些小单晶凝聚在一起，产生一个更大的单晶，与基底的尺寸相匹配。

研究人员表示，他们在基于2D材料的设计上迈出了一大步，这可能助力2D半导体在电子和光学设备的高端应用中的发展。

展望未来，该团队成员现在正忙于开发下一代培养大型二维WS₂晶体的技术和理论。丁告诉《物理世界》：“我们将为提高合成的2D材料的质量做出巨大努力，甚至在未来控制它们的厚度。”

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