二維（2D）材料家族近年來顯著擴展，包括近2000種理論預測和數百種實驗室可接近的物種。這一演變得益于材料制備技術的進步，尤其是機械剝離和溶液基剝離等方法的發展。機械剝離從體塊晶體中分離出高質量的石墨烯，雖然在探索和分離方面開創性，但在大規模生產上仍面臨挑戰。相反，溶液基剝離方法雖能擴展2D材料的生產規模，卻可能引入缺陷、雜質和化學修飾，限制了其應用。
為此，外延生長技術以其能在各種基底上組裝原子或分子成二維材料的特點脫穎而出，無需晶格匹配要求，且能精確控制成分和晶質，展示了制造大面積高質量單晶薄膜的潛力。二維材料外延的歷史可以追溯到上世紀60年代，當時John May在高溫金屬基底上的烴類中發現了低能電子衍射圖案，并歸因為‘單層石墨’的概念。然而，這些探索最初局限于表面物理學領域，并未引起廣泛關注。直至2004年石墨烯的發現和分離，外延生長領域經歷了轉變，激發了一系列探索和突破，推動了單晶薄膜的工業化生產。
鑒于此，北京大學劉開輝團隊在Nature Nanotechnology期刊上發表了題為“Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures”的最新綜述文章。本研究中提及，外延生長技術已經實現了包括石墨烯、六角硼氮化物（hBN）和過渡金屬二硫化物（TMDCs）在內的典型2D材料的大規模單晶生長。這些成就不僅局限于平面單晶單層的控制，還擴展到了垂直同質結構的制備，包括具有控制堆疊和扭轉角度的人工多層系統。
未來的研究前景涵蓋了更多新興二維材料的外延生長，如單元素物種、非過渡金屬硫化物、二維硼化物、碳化物、氮化物、氧化物和鹵化物等。盡管每個階段都面臨獨特的挑戰，但尋求普遍的外延原則將是實現這些材料應用的關鍵。
值得一提的是，2024年5月，劉開輝教授率領其團隊發表Nature，僅過一個月再發兩篇Science，緊接著一月之后，劉開輝教授與中國人民大學劉燦副教授等人合作再發Science，這些成果都引起了學術界不小的關注。如今，他的成果再次登頂Nature大子刊。
（1）隨著二維材料家族的擴展，替代的溶液基剝離方法提供了可伸縮性的生產途徑，但可能導致材料中的缺陷、雜質及化學修飾。相比之下，外延生長技術通過在各種基底上精確組裝原子或分子成二維材料，無需晶格匹配，展示了制造大面積高質量單晶薄膜的潛力。
（2）二維材料外延的歷史可以追溯到20世紀60年代，當時John May在高溫金屬基底上的烴類中發現了未指定的低能電子衍射圖案，這被歸因為‘單層石墨’的生長。這一早期探索奠定了后來vdW外延技術的基礎，盡管最初局限于表面物理學領域。
（3）在過去的兩個十年中，隨著石墨烯的發現和分離，二維材料外延經歷了多次技術突破，包括六角硼氮化物（hBN）和過渡金屬二硫化物（TMDCs）的實現。這些進展不僅推動了單晶薄膜的工業化生產，還促進了垂直同質結構如扭轉電子學和moire光子學的發展。
圖1：二維2D 范德華 van der Waals，vDW材料及其同質結構外延生長的代表性進展。
本文的科學在于探索二維范德瓦爾斯（vdW）材料外延生長的多方面技術路線和應用潛力。通過研究二維材料的外延生長，我們不僅突破了傳統材料制備的限制，還展現了在平面單晶單層和垂直多層結構方面的精確控制能力。這種技術的進步不僅為材料科學和納米技術領域提供了新的材料平臺，還為下一代電子器件和功能性材料的設計與開發提供了新的思路和可能性。
此外，對缺陷、晶質度、摻雜水平和結構相的定量表征方法的發展，以及建立自包含和標準化的加工流程，將有助于提高二維材料的質量和可靠性，推動其向半導體行業應用的進程。二維材料的功能化和定制化，特別是其在微納電機系統等超越摩爾應用中的潛力，將為未來科技創新帶來重要的影響。通過建立系統化的材料數據庫和利用機器學習，我們能夠更有效地理解和設計二維材料的性能和應用，為材料科學和工程領域的進一步發展提供重要的科學意義。
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
原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/07/15/b42801bd99/
