NANO编辑优选:过渡金属硫属化合物及其异质结的晶圆级制备

25 Aug 2025 gabriels
本篇研究来自湘潭大学郝国林和广西师范大学刘军课题组。本综述梳理了近年来晶圆级过渡金属硫化物(TMD)及其异质结的最新研究进展。全面评估了化学气相沉积、金属有机化学气相沉积、分子束外延等主流晶圆级制备技术的可扩展性和适用性。系统总结了晶圆级TMD及其异质结的典型合成策略。此外,综述还对晶圆级TMD及其异质结的发展现状进行了评论和展望,指出在实现从实验室到工厂大规模生产的过程中,仍然面临的若干关键性挑战。


文章介绍

Wafer-scale synthesisof transition metal dichalcogenides and van der Waals heterojunctions

Shiwei Zhang(张世伟), Yulong Hao(郝玉龙), Shijie Hao, Xuemei Lu, Jie Zhou, Chen Fan, Jun Liu(刘军), and Guolin Hao(郝国林)

通讯作者:

  • 郝国林,湘潭大学物理与光电工程学院
  • 刘军,广西师范大学物理科学与技术学院

 

研究背景:

二维(2D)半导体材料作为一类很有前途的新兴材料,凭借其独特而优异的物理和化学特性,有望克服硅基器件小型化的技术瓶颈,进一步延续“摩尔定律”。其中,过渡金属硫属化合物(TMD)及其异质结在新型电子、光电子器件中展现出前所未有的应用潜力,其相关的晶圆级制备技术和生长策略正不断取得突破。因此,有必要系统和全面地总结晶圆级TMD及其异质结合成的最新进展。本研究旨在为晶圆级2D材料的未来发展途径提供理论与技术支持,并促进其在电子、光电子和其他领域的广泛应用。

 

研究内容:

本综述系统分析了化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积、分子束外延、原子层沉积和激光脉冲沉积五大晶圆级制备技术的工业化潜力。通过对比生长温度、真空度、最大晶圆尺寸等关键工艺参数,揭示了CVD技术在高扩展性、低成本及批量化制备方面的显著优势,使其成为当前晶圆级薄膜制备的主流技术。

文章进一步聚焦于基于CVD技术衍生的先进晶圆级合成策略,主要包括前驱体设计、面对面生长模式与衬底工程。在前驱体设计方面,通过调节反应过程中的中间产物和前驱体化学结构,可以实现更精确的成核控制。面对面的生长模式可以显著改善前驱体的传输路径,解决传统固体前驱体浓度分布不均匀的问题。对于实现晶圆级连续单晶薄膜的制备,衬底工程则展现出显著的优势。

此外,针对于晶圆级异质结的合成,综述还总结了金属薄膜前驱体转化、图案化辅助生长和物理机械堆叠等有效策略。这些策略在异质结的可控构筑及程序化堆叠设计方面展现出独特潜力。

然而,二维TMD及其异质结迈向半导体实际制造应用中仍面临关键挑战。例如,主流CVD技术在材料合成过程中通常需要较高生长温度,这与现有硅基CMOS工艺的低温兼容性要求存在显著差距,亟需开发高效的低温生长策略。其次,目前晶圆级TMD薄膜多在单晶衬底上外延生长,将其无损、无残留地转移至目标功能衬底是实现器件集成的关键步骤。未来,如何进一步实现2D材料从实验室到工厂的大规模制备,仍需要不断的探索和优化。


作者介绍

郝国林  教授

湘潭大学

  • 郝国林,教授,博士生导师,湖南省优秀青年基金获得者,湖南省青年骨干教师,湘潭大学韶峰学者,加州大学洛杉矶分校博士后,湖南省光学学会理事,湖南省光学学会青年工作委员会委员。近年来主要从事二维原子晶体的可控制备及光电性质研究,在原子力显微镜技术、二维原子晶体的可控制备与物性调控、微纳光电器件构筑等方面积累了一定的研究经验。主持与已完成国家自然科学基金面上项目、青年项目,湖南省重点研发项目,湖南省自然科学基金优秀青年项目等国家级与省部级项目10余项,在Science, Nano Letters, ACS nano, Science Bulletin, Advanced Functional Materials, The Journal of Physical Chemistry Letters, 2D Materials等国际期刊发表SCI论文50余篇,应Springer出版社邀请撰写英文专著的一个章节。其中3篇论文入选ESI高被引论文(含一篇热点论文),4篇论文被选为期刊封面,1篇论文获得2022年IOP出版社高被引论文奖,相关研究成果得到了国内外同行的广泛关注和认可,论文被引用3800余次。以第一发明人申请国家发明专利15项,其中授权8项。

 

刘军  教授

广西师范大学

  • 刘军,博士,教授,硕士研究生导师。在中山大学光电材料与技术国家重点实验室获得博士学位,感兴趣的研究领域主要是低维半导体材料可控生长、光学传感器件、固体发光材料与器件等。主持和参与国家自然科学基金共5项,主持和参与省部级科研项目6项,主持省部共建国家重点实验室开放基金1项,主持广西高等教育本科教学改革工程项目(重点项目)1项、校级教学教育改革项目1项,获广西教育厅高校优秀教师深造项目1项。近年来在Applied Physics Letters, Applied Surface Science, Results in Physics等权威SCI期刊上发表学术论文40余篇,授权国家发明、实用新型等专利4项。

期刊介绍

Nanotechnology

  • 2024年影响因子:2.8  Citescore:6.2
  • Nanotechnology(NANO)创刊于1990年,是第一本纳米科研和技术领域的专业期刊。NANO发表纳米技术研究发展前沿的高水平研究论文及纳米研究进展的综述,主要集中在纳米能源、生物和医学、电子和光子、图案和纳米加工、传感和驱动、材料合成和材料性能等领域。