刘开辉团队，再发Nature Nanotechnology！
米测MeLab
2024-07-26
研究背景
在过去二十年间，二维（2D）材料的研究领域经历了显著的发展与扩展，现已包含了近2000种理论预测和数百种实验室可接近的物种。这一进展得益于材料制备技术的不断提升，从机械剥离到溶液基剥离等多种方法的探索。其中，外延生长技术因其在各种基底上组装原子或分子形成二维材料的能力，无需晶格匹配要求，并能精确控制成分和晶质，展示了制造大面积、高质量单晶薄膜的巨大潜力。二维材料的外延概念最早可以追溯到1960年代，当时John May在研究高温金属基底上的烃类时发现了未解释的低能电子衍射图案，认为这可能与‘单层石墨’的生长有关。1984年，Koma等人进一步引入了“范德瓦尔斯（vdW）外延”这一术语，用于描述在剥离的MoS2表面上制造亚纳米NbSe2薄膜的技术。尽管最初的探索局限于表面物理学领域，并未引起广泛关注，但随着2004年石墨烯的发现和分离，这一领域开始经历了翻天覆地的变化。石墨烯的发现激发了一系列关键性的技术突破，特别是在二维vdW材料的探索和外延生长方面。2009年，在铜箔上合成单层石墨烯标志着第一波浪的到来，随后的十年见证了外延机制的深入研究，推动了单晶薄膜的工业化生产。随后的浪潮涉及到二维六角硼氮化物（hBN）和过渡金属二硫化物（TMDCs）的外延，最近更实现了英寸大小的单晶。此外，人工多层系统中的扭转电子学和moire光子学等新现象推动了另一波浪，用于直接生长具有控制堆叠和扭转角度的垂直同质结构。 然而，尽管二维材料外延的每一次进展都带来了新的突破和机遇，但也伴随着独特的挑战。例如，不同材料的晶格不匹配问题以及在大面积生长过程中可能出现的缺陷和杂质问题，都是需要克服的难题。为了解决这些挑战，北京大学刘开辉团队在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures”的最新综述文章。本研究旨在系统总结二维vdW材料外延生长的最新技术路线，并探讨了在平面方向和垂直方向上的关键科学问题和策略。首先，作者讨论了在平面方向上单晶单层的外延生长，包括单域成核控制、多域取向控制以及缺陷质量控制。其次，作者深入探讨了沿垂直方向生长二维材料的技术进展，包括均匀多层和扭转同质结构的制备。通过这些探索和总结，本研究为未来优化二维材料的定制制备及其在工业应用中的设备制造提供了战略方向和建议。
综述亮点
（1）在二维材料研究领域，本综述讲述了通过机械剥离技术，成功地从体块晶体中分离出石墨烯，开创了二维材料的新篇章。这一里程碑性的发现，为后续的二维材料研究和应用奠定了基础。 （2）在材料制备技术的演进过程中，机械剥离技术以其高质量材料的优势显著。然而，面对大规模生产的挑战，解决方法在于探索替代的溶液基剥离方法，虽然这可能会引入一些缺陷和杂质，但是能够实现二维材料的可伸缩性制备。（3）在二维材料的外延生长技术中，范德瓦尔斯（vdW）外延技术因其无需晶格匹配的特点而备受关注。这种技术不仅能够在各种基底上组装原子或分子成为二维材料，还能精确控制材料的组成和晶质，展示出制备大面积高质量单晶薄膜的巨大潜力。（4）此外，通过对二维材料外延生长机制的深入研究，人们已经揭示了在平面方向上单晶单层的成核控制、多域取向控制以及缺陷质量控制等关键技术路线。在垂直方向上，研究人员也在探索如何制备均匀多层和扭转同质结构，以进一步拓展二维材料在电子学和光电子学等领域的应用。
图文解读
图1：二维2D 范德华 van der Waals，vDW材料及其同质结构外延生长的代表性进展。
总结展望
本文展示了二维范德瓦尔斯（vdW）材料外延生长的最新进展和挑战。通过系统总结，作者看到外延生长技术从最初的单层平面单晶向复杂的垂直多层结构发展，为实现大面积、高质量的单晶薄膜提供了关键途径。研究表明，石墨烯、六角硼氮化物（hBN）和过渡金属二硫化物（TMDCs）等材料的工业化生产已经取得重要进展，尤其是在与硅技术的对接和扩展上。然而，二维材料在晶体质量、成分控制和生产收益率等方面仍面临挑战，例如高缺陷密度和复杂的成分调控需求。 面对这些挑战，创新的外延策略和精确的原子级控制技术尤为关键，以实现二维材料的精准合成和功能化定制，推动其在半导体及更多超越摩尔应用中的广泛应用。此外，建立系统性的材料性能数据库和发展机器学习方法，将为未来二维材料研究和设备设计提供理论支持和实际指导。Liu, C., Liu, T., Zhang, Z. et al. Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01704-3
