近日，物理学院王金兰教授、马亮教授材料多尺度模拟团队在二维材料的层数可控生长机理方面取得了重要进展，与南京大学王欣然实验团队合作实现了厘米级均匀双层MoS2薄膜的层数可控外延生长，成果以“Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire”为题，5月4日在线发表于Nature。
人工智能、自动驾驶等新兴产业数字化、智能化需求的爆发式增长，推动了微电子芯片集成度的不断提高。目前硅基半导体晶体管微缩工艺已推进至5nm节点及以下，并逐渐逼近其物理极限。晶体管尺寸的进一步微缩迫切需要基础材料的创新与突破。近年来，以MoS2为代表的二维半导体材料(厚度 < 1 nm)同时兼具高迁移率、超大比表面积、柔性、平面易集成等特点，被视为后硅基半导体时代延续摩尔定律的理想候选材料之一，获得了极大关注和迅速发展。与单层MoS2相比，多层 MoS2具有更高的载流子迁移率，能够提供更大的驱动电流，在场效应晶体管(FETs)等电子器件中具有更加显著的应用优势与前景。然而，目前多层MoS2大面积均匀薄膜的层数可控外延生长极具挑战性，是困扰已久的二维材料研究前沿难题！
图1. 单、双层MoS2生长的热力学竞争趋势。
王金兰、马亮团队基于多尺度模拟建立了外延衬底上多层MoS2生长的热力学竞争模型，发现由于衬底与MoS2的表面强相互作用，致使传统的表面外延生长方法只能通过逐层生长的模式获得多层MoS2，受限于生长时长的不一致和成核位点的随机分布，从而导致了多层MoS2的层数均匀性差和薄膜不连续等问题。团队在前期与实验课题组合作开展的利用外延衬底台阶边缘实现MoS2单取向成核与大面积（2英寸）单层单晶生长的工作基础上[Nat. Nanotechnol., 2021, 16, 1201]，提出了利用外延衬底高台阶与多层MoS2的界面强相互作用，突破传统的逐层生长模式，实现了多层MoS2的层数可控成核与生长[Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202201402]。特别的，团队通过计算模拟指出蓝宝石c面六层台阶(~1.4 nm)与双层MoS2厚度匹配，存在较强的界面相互作用，能够引导双层MoS2上下两层的同时成核与肩并肩生长。
图2. 台阶引导的双层MoS2生长机制。
基于这一机制，团队与南京大学王欣然课题组合作实现了厘米级均匀双层MoS2层数可控外延生长。基于双层MoS2通道的场效应晶体管(FET)器件，在迁移率(高达122.6 cm2 V−1 s−1)和电流密度(1.27 mA μm-1)方面，相比于单层MoS2的FET器件有了显著的改善，并超过了高性能FETs的2028路线图目标。
物理学院马亮教授为本文共同一作(理论第一)和共同通讯作者，博士研究生董瑞康为共同一作，王金兰教授为共同通讯作者。该工作东南大学部分受到了国家重点研发计划和国家自然科学基金重点/青年项目和江苏省“双创人才”等项目和人才计划的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04523-5