大規(guī)模生產(chǎn)單晶二維（2D）過渡金屬二硫族化物是制造下一代集成電路的先決條件之一。二維材料晶圓級高質(zhì)量結(jié)晶度的當(dāng)代策略集中于合并單向排列、不同尺寸的域。

然而，平移晶格的不完美融合區(qū)域會帶來高缺陷密度和低器件均勻性，這限制了二維材料的應(yīng)用。

2025年1月10日，北京科技大學(xué)張躍院士、張錚教授在國際頂級期刊Nature Materials發(fā)表題為《Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS₂》的研究論文，姜鶴、張先坤教授、Kuanglei Chen、Xiaoyu He為論文共同第一作者，張躍院士、張錚教授為論文共同通訊作者。

張躍，北京科技大學(xué)前沿交叉科學(xué)技術(shù)研究院教授、院長，中國科學(xué)院院士（2019），發(fā)展中國家科學(xué)院院士（2022），英國皇家化學(xué)會會士（2015），國家杰青，北京大學(xué)特聘客座教授。

1958年出生，1993年獲博士學(xué)位，1995年任教授，2000-2003年受Anthony Mason Fellowship、JSPS和國家留學(xué)基金委資助在澳大利亞、日本、美國進(jìn)行合作研究，是國家重大科學(xué)研究計劃和重點研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家。

張躍院士主要從事低維半導(dǎo)體材料及其服役行為的研究，致力于將低維半導(dǎo)體材料前沿研究和國家重大需求相結(jié)合，在信息、能源和傳感領(lǐng)域關(guān)鍵材料與器件應(yīng)用的基礎(chǔ)理論、制備技術(shù)和工程應(yīng)用方面做出了系統(tǒng)性、創(chuàng)新性重要貢獻(xiàn)。

他在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Energy、Nature Electronics等國內(nèi)外期刊上發(fā)表SCI論文450余篇；撰寫出版中文專著8部、英文專著5部。獲授權(quán)專利100余項；以第一完成人獲國家自然科學(xué)二等獎1項、省部級科技成果一等獎3項、省部級教學(xué)成果一等獎2項。

張錚，北京科技大學(xué)前沿交叉科學(xué)技術(shù)研究院教授、副院長，國家杰青，國家萬人計劃青年拔尖人才，國家重點研發(fā)計劃首席科學(xué)家，國家高層次人才，國家高層次青年人才。

2006年和2015年獲得北京科技大學(xué)的學(xué)士和博士學(xué)位，2006-2008年在校擔(dān)任黨委研究生工作部，2015年博士畢業(yè)后留校從事博士后研究，并歷任講師、副教授、教授。

張錚教授主要從事先進(jìn)制程集成電路關(guān)鍵半導(dǎo)體材料研究，在Nature Mater.、Nature Electron.、Nature Energy.、Nature Commnun.、Adv. Mater.等期刊發(fā)表論文150余篇；授權(quán)中國專利30余項，美國專利1項。

在這里，作者在二維空間中建立了液體-固體結(jié)晶，可以快速生長無晶界的厘米級單晶MoS₂域。這些MoS₂單晶具有極好的均勻性和高質(zhì)量，以及超低的缺陷密度。

由MoS₂制造的場效應(yīng)晶體管的統(tǒng)計分析表明，器件良率高且遷移率變化極小，從而將該FET定位為先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)單層MoS₂器件。

這種2D Czochralski（2DCZ）方法對于制造高質(zhì)量和可擴(kuò)展的2D半導(dǎo)體材料和器件具有重要意義。

圖1：大規(guī)模、高質(zhì)量MoS₂域的2DCZ結(jié)晶

圖2：T2DCZ機(jī)制

圖3：MoS₂基材之間的轉(zhuǎn)移和粘附

圖4：MoS₂的均勻性和晶體質(zhì)量的表征

圖5：MoS₂?FET的電子特性

綜上，作者提出了一種二維Czochralski（2DCZ）方法，用于在熔融玻璃基底上大規(guī)模生長無晶界的單晶MoS₂，解決了傳統(tǒng)生長方法中存在的晶界和缺陷密度高的問題。通過液-固相轉(zhuǎn)變，該方法實現(xiàn)了厘米級MoS₂單晶域的快速生長，并展示了優(yōu)異的電學(xué)性能。

該方法為高質(zhì)量、可擴(kuò)展的二維半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)提供了新的思路，促進(jìn)了2D材料的工業(yè)化應(yīng)用。通過降低缺陷密度和提高材料均勻性，顯著提升了基于MoS₂的電子器件性能，推動了其在集成電路中的應(yīng)用。

未來該研究有望應(yīng)用于集成電路制造、新型電子器件、材料科學(xué)研究等領(lǐng)域。

Jiang, H., Zhang, X., Chen, K.et al.?Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS₂.?Nat. Mater.?(2025).