北京大学刘开辉教授和华南师范大学徐小志教授团队Precision Chemistry | 非中心对称二维单晶的生长

单晶材料具有本征的物理化学特性，可以保证器件的高性能和高均匀性。99%以上的二维材料都是非中心对称的。由于常用的生长基底一般都是中心对称的，因此在非中心对称二维材料的生长过程中，通常不可避免地会出现反平行岛，这是因为两种反平行岛的形成能量在中心对称基底是等价的。因此，与石墨烯等中心对称二维单晶相比，实现非中心对称二维单晶的生长一直是一个巨大的挑战。本综述全面概述了过去十年中科学家们通过精准化学方法调控非中心对称二维单晶生长所取得的研究进展，简明扼要地总结了该领域所面临的挑战，并强调了未来探索的有趣方向。

近日，北京大学刘开辉教授和华南师范大学徐小志教授在Precision Chemistry上发表了非中心对称二维单晶生长的综述文章。文章首先讨论了非中心对称二维单晶生长的挑战和策略，随后重点介绍了代表性非中心对称二维单晶（hBN和TMDs）和其它非中心对称二维材料（BP、In₂Se₃、GeSe、Nb₃SeI₇等）生长的进展，最后针对层数控制、转角控制、堆垛控制及异质结构等未来二维单晶材料的重点研究方向提出了总结与展望。

图1. 制备非中心对称二维单晶的困难及原因

图2. 非中心对称二维单晶材料的单核生长策略

图3. 非中心对称二维单晶材料的多核生长策略

图4. 单核生长策略制备单晶hBN

图5. 台阶引导外延生长单晶hBN

图6.自对准机制生长单晶hBN

图7. 多层hBN的生长

图8. 单核生长策略制备单晶TMD

图9. 台阶引导外延生长单晶TMD

图10. 双耦合引导外延生长单晶TMD

图11. 衬底表面重构引导外延生长单晶TMD

图12. 同步形成晶核和台阶外延生长单晶TMD

图13. 双层和多层TMD的生长

图14. 转角TMD的生长

图15. TMD异质结的生长

图16. 其它非中心对称二维材料的生长

综述全面报道了利用单核和多核控制的精准制备技术在生长非中心对称单晶二维材料方面取得的重大进展。然而，要成功地将二维材料集成到实际生产过程中，必须还要满足其它要求：（1）实现晶体质量的极度均匀性和可重复性；（2）在硅基晶圆上进行全组分生长或超净转移；（3）实现低温单晶制备；（4）达到可控的掺杂剂分布和掺杂水平。此外，层数、转角和堆垛的调控能够为改变二维材料的物理性质提供新的机会，并由此带来革命性的应用。因此，二维单晶的生产仍将是未来十年的研究重点。

相关论文发表在以精准为导向的高质量期刊Precision Chemistry上，华南师范大学博士后崔国梁、北京大学博士研究生戚嘉杰、华南师范大学博士研究生梁智华和曾凡凯为文章的共同第一作者，徐小志教授和刘开辉教授为共同通讯作者。

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，在二维量子材料表界面生长调控，米级单晶薄膜通用制造技术，表界面耦合物理及量子器件、光纤激光器和声学芯片方向取得了系列研究进展。近年来发表SCI论文100余篇 (google引用率>15000，h因子66)，其中包括通讯/第一作者文章Nature (3篇)，Nature Nanotechnology (7篇)，Nature Photonics (2篇)，Nature Physics，PRL(2篇), Nature Materials，Nature Chemistry，Nature Communications (9篇)，Advanced Materials (14篇)，JACS (4篇)，PNAS (2篇)和Science Bulletin (5篇)等；撰写综述文章14篇，主编专著1部。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。

课题组主页链接：

http://liugroup.pku.edu.cn/

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。自2016年以来，发表通讯/第一作者论文21篇，包括Nature 2篇、Nature Nanotechnology 2篇、Nature Chemistry 1篇、Nature Communications 3篇，获授权发明专利19项。目前主持国家基金委优青、国家重点研发计划课题、国防科技创新特区项目、广东省重点领域研发计划、广东省杰出青年基金、基金委青年科学基金项目等项目；获评“2019中国十大新锐科技人物”；研究工作入选2020年中国半导体十大研究进展、2020年中国重大技术进展、2019年中国百篇最具影响国际学术论文、2023年中国半导体年度十大研究进展候选、Science Bulletin 2018年最佳论文奖；担任《Materials Futures》、《Frontiers of physics》杂志青年编委。

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https://www.x-mol.com/groups/xu_xiaozhi

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