近日，東南大學物理學院和王金蘭教授團隊基於先進的多尺度類比方法，在二維資料成核與生長機理的理論研究方面取得重要進展，與南京大學王欣然實驗團隊合作成功實現了晶圓級（2英寸）二硫化鉬（MoS2）單層單晶薄膜的生長製備。研究成果以“Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire”為題發表在國際頂級期刊Nature Nanotechnology（自然·奈米科技）上。
以MoS2為代表的過渡金屬硫化物（TMDs）單層二維資料，是一類具有高載流子遷移率和高開關比的直接帶隙電晶體，並兼具良好的力學特性和光電效能，被視為後矽基電晶體時代繼續延續摩爾定律的理想候選資料之一。實現大面積高品質MoS2單晶薄膜的生長製備是商業化應用的關鍵環節，然而，由於常規的二維材料化學氣相沉積法（CVD）生長工藝所使用的外延襯底與MoS2存在對稱性不匹配的問題，導致生長的成核期出現了大量的180°反向MoS2晶疇，且比例接近1:1。這些反向晶疇在長大的過程中由於晶向不一致而無法合併成大面積MoS2單晶，制得的MoS2多晶薄膜具有較高的晶界密度，進而顯著降低了資料/器件的效能。
通過表面重構科技（如構造臺階面等）來降低襯底對稱性有望解決這一問題。然而本工作的實驗合作者發現，對對藍寶石c面進行指向M軸（C/M）的斜切得到的臺階面上則生長出的依然是180°反平行的MoS2晶疇，並伴隨有大量晶界（示意圖a）；而藍寶石c面進行指向A軸（C/A）的斜切得到的臺階面上可以生長出99.6%單一取向的MoS2晶疇，這些取向一致的晶疇可以合併成大面積MoS2單晶薄膜（示意圖b）。但是藍寶石c面不同斜切管道對MoS2生長行為的影響機制並不清楚！
馬亮、王金蘭教授團隊基於先進的多尺度類比方法，明確了藍寶石c面與MoS2的R30°外延關係，進而成功建立了MoS2在藍寶石c面上的臺階邊緣成核機制。該機制指出C/A斜切在不影響原有外延關係的同時，形成的臺階取向打破了反向MoS2晶疇在成核過程中的能量簡並態，進而引導MoS2晶疇沿臺階邊緣成核機制確定的優勢取向生長；相反的，C/M斜切形成的臺階取向並沒有破壞反向MoS2晶疇的成核能量簡並態，所以生長得到的依然是180°反向MoS2晶疇及大量晶界。研究進一步指出，富硫的生長環境有利於單一取向MoS2晶疇的成核。這一研究成果不僅很好的闡明了大面積MoS2單晶在藍寶石c面上的成核與生長機制，還得以合理推廣用於指導和解釋大面積MoSe2單晶的生長製備，這表明該成核機制對指導二維TMDs大面積單晶薄膜的生長具有很好的普適性。
物理學院馬亮教授為本文共同第一作者（理論第一作者），王金蘭教授為本文共同通訊作者（理論通訊作者）。該工作受到了國家重點研發計畫和國家自然科學重點基金/青年基金等專案資助。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41565-021-00963-8
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