发展二维（2D）半导体材料和新原理器件有望突破尺寸微缩极限，被认为是研制后摩尔时代集成电路的最具潜力技术路线之一。实现2D材料在新一代集成电路中的应用关键在于制备高质量二维材料单晶和空间组分、电子结构高度可调的二维异质结构。2D横向异质结是具有相似晶格结构的2D材料通过平面内一对一共价键合而成，可集成具有不同电子和光电特性的2D半导体模块用于高密度超薄器件。二维垂直异质结层间由弱的范德华作用力连接，可突破晶格匹配的限制自由堆垛范德华异质结，高质量的异质结界面可有效提高载流子传输效率和器件性能。晶圆级高质量二维异质结的可控合成是实现二维材料集成电路的关键环节，但相较于晶圆级二维材料的合成，晶圆级二维异质结的合成由于更复杂多变的化学环境、不可控热刻蚀等，面临更加严峻的挑战。
近日，二维材料湖南省重点实验室段曦东教授团队分别在国际顶尖期刊《Chemical Reviews》和《Nature Materials》上发表题为《Synthesis, Modulation and Application of Two-Dimensional TMD Heterostructures》和《Towards scalable synthesis of 2D heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking》的两篇重要综述文章，深入探讨了二维材料异质结和超晶格的大面积合成、调控及应用前景。
《Synthesis, Modulation and Application of Two-Dimensional TMD Heterostructures》论文全面总结了二维过渡金属二硫族化合物（2D-TMD）异质结构的最新研究进展，涵盖了其合成方法、性能调制和广泛应用（图1）。文章指出，挖掘2D材料的全部潜力需要实现其异质结构和超晶格的可控合成，并精确调控其化学成分和电子结构的空间分布，这对于提高电荷迁移率、最小化界面散射和确保优异的器件性能至关重要。此外，二维TMD异质结构的性质可以通过多种方法进行调制，如调整堆叠角度、调节层间间距以及修饰二维材料的表面，从而获得具有创新性能的范德华（vdW）异质结构。通过电荷转移、表面重构、层间接近效应以及能带结构工程等手段，vdW异质结构的光电性能得到了有效调控。综述中首先回顾了当前TMD异质结构的研究现状，并深入探讨了高质量TMD异质结构和超晶格的合成方法，特别关注了晶圆级异质结构的制备技术。随后，文章详细分析了利用各种技术手段调制vdW异质结构性能的最新进展。进一步综述了TMD异质结构在电子器件、光电子器件等领域的应用，并展望了其未来的发展潜力。最后，文章概述了该领域未来研究工作所面临的挑战和可能的研究方向。
图1. 二维TMD异质结的合成调控及应用
《Towards scalable synthesis of 2D heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking》论文更加关注大面积二维异质结构和超晶格化学合成中所面临的关键挑战和合成方法创新。二维材料单层厚度小于1 nm，而其横向尺寸可以扩展到宏观尺度，如12英寸晶圆（约300毫米），使其横纵比可达109或者更大。这种特殊的纵横比需要高度的各向异性生长，其中横向(平行于2D基面)和垂直(垂直于2D基面)维度的生长速率相差数百万或数十亿倍，这给其合成带来了全新的挑战。文章总结了当前二维异质结材料合成中的关键挑战—面内和面外生长不可控竞争、生长与蚀刻不可控竞争、随机成核不可控以及异质界面质量退化（图2）。针对上述挑战，作者详细回顾了化学气相沉积（CVD）工艺（作为可大面积制备二维材料及其异质结构的最有前途的方法）在大面积单晶材料合成、二维横向/垂直异质结、超晶格和阵列合成方面的关键进展。最后，文章强调了当前的技术进展，并展望了二维材料及其异质结构和超晶格的晶圆级合成的未来前景。
图2. TMD及其异质结的化学合成挑战
来源：化工院
通讯员：丁杨
责任编辑：余楚倩
