在二维材料研究领域，如何实现大面积均匀的异质结构和超晶格生长，一直是困扰科学家的难题。近日，湖南大学段曦东团队与加州大学洛杉矶分校段镶锋团队在这一领域取得了重要突破。他们通过改进化学气相沉积（CVD）技术，实现了大面积高质量二维晶体的可控合成，为量子光子器件和下一代电子光电子应用铺平了道路。这项成果发表在Nature Materials期刊上，标志着二维材料应用向前迈出了关键一步。
二维原子晶体（2DACs）是由单原子层材料构成的超薄结构，如层状过渡金属硫化物（TMDs），凭借其独特的物理性质和优异的电子性能，已经成为当前科研的焦点。然而，实际应用中的一系列挑战，特别是合成过程中的厚度与尺寸可控性、层间耦合、异质结构界面精准调控等，依然阻碍着这一领域的广泛应用。尤其是在晶圆级异质结构的均匀生长、低温下高质量合成等方面，依然存在显著技术瓶颈。
针对这些挑战，湖南大学的段曦东团队和加州大学洛杉矶分校（UCLA）的段镶锋团队通过改进化学气相沉积（CVD）技术，成功提升了二维原子晶体的合成控制，特别是在大面积单晶、二维异质结构以及超晶格的合成中取得了重要进展。这些研究不仅加速了二维材料领域的技术进步，也为未来的量子光子器件和下一代电子、光电子应用打下了坚实的基础。
大面积单晶二维材料合成
实验展示了如何通过优化CVD技术，实现大面积、单层厚度的二维原子晶体的制备。得到的材料不仅在电子性能上表现优异，还具有高质量的结构一致性，为未来的实际应用奠定了基础。
异质结构的精确控制
研究团队成功调控了异质结构的层间耦合、界面质量和晶体相，合成出了高质量的二维超晶格。这些进展为大面积均匀生长和位置控制生长提供了技术支持，但仍需解决低温合成和晶圆级生长的挑战。
多学科合作推动材料科学进步
该研究综合了材料科学、化学和工程学的前沿知识，揭示了二维材料合成在可控性、均匀性等方面的核心问题，为设计量子光子器件和探索莫尔材料中的新量子现象提供了新思路。
图1：CVD合成二维TMDs及异质结构中的挑战
图2：二维横向异质结构及超晶格的合成
图3：二维垂直异质结构及莫尔超晶格的合成
图4：二维垂直超晶格的示意图
图5：二维材料的位选择性生长示意图
尽管湖南大学与UCLA团队在二维原子晶体的合成方面取得了突破性进展，特别是在大面积均匀性、层间耦合和异质结构调控等方面，但未来仍面临诸如低温合成、晶圆级生长等难题的挑战。未来研究将需要更加深入的跨学科合作，以全面理解和优化二维材料的成核与生长过程。通过这类协作，二维原子晶体的应用前景将更加广阔，特别是在量子光子器件、新量子现象探索及下一代电子与光电子设备领域。
原文出处：
Li, J., Yang, X., Zhang, Z. et al. Towards the scalable synthesis of two-dimensional heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking. Nat. Mater. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01989-8
