隨著科技的不斷進步，材料科學成為推動人類文明發展的核心領域。特別是在資訊科技革命和人工智慧的快速發展過程中，材料的創新對人類社會產生了深遠影響。自20世紀60年代矽基積體電路的發明以來，矽時代的到來標誌著資訊科技的飛速發展。然而，隨著積體電路技術的不斷進步，矽基電子器件在接近原子厚度（如亞5奈米或亞3奈米尺度）時，電子效能如載流子遷移率的迅速退化，已成為進一步縮放的重大挑戰。這一問題促使研究人員尋找新的材料，以滿足未來計算能力的需求。
二維原子晶體（2DACs），尤其是層狀過渡金屬硫化物（TMDs），受到了廣泛關注。二維TMDs具有原子級的厚度和無懸掛鍵的表面，這些獨特的屬性使其在極端物理尺度下能夠保持優異的電子效能，從而成為超越矽技術的潛在候選材料。此外，這些材料的多樣化化學組成和物理性質（如半導體、超導體、金屬、Weyl半金屬、拓撲絕緣體和鐵磁體）使其成為探索原子厚度極限下奇異物理現象的理想平臺。豐富的二維TMD家族還允許原子尺度上整合具有不同化學成分和電子結構的異質結構，從而實現對電荷生成、分離、傳輸、關聯或重組的精確調控。
儘管如此，二維TMDs的實際應用仍面臨諸多挑戰。現有的合成方法主要依賴於機械剝離和重新堆疊，這種方法雖然在初期階段促進了研究的快速發展，但在實際技術應用中的可擴充套件性和實用性仍然受到限制。具體而言，如何在大面積上實現均勻的異質結構和超晶格的生長、如何在任意基底上實現週期性異質結構的位選擇性生長、如何控制雙層的扭轉角度以及如何在與先進積體電路製造工藝相容的低溫下合成高質量二維異質結構，都是當前亟待解決的問題。
因此，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒團隊和湖南大學段曦東團隊合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Towards the scalable synthesis of two-dimensional heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking”的最新綜述論文。近年來，研究者們在大面積單晶的合成、二維橫向和縱向異質結構的構建、超晶格的製造以及位置控制生長方面取得了顯著進展。然而，儘管取得了這些進展，仍需深入理解和精確控制成核與生長過程，以實現二維TMDs在規模化技術中的應用。
文章連結：
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01989-8
本文揭示了二維原子晶體（2DACs）及其異質結構在實際應用中面臨的關鍵挑戰和進展。首先，透過CVD合成的可控性、可擴充套件性和均勻性對推動2DACs技術的實際應用至關重要。這表明，儘管當前在大面積單晶、異質結構、超晶格及位置控制生長方面取得了顯著進展，但在晶圓級生長、位選擇性生長以及與積體電路製造工藝相容的低溫高質量合成等方面，仍存在重要挑戰。解決這些問題需要深入理解和精確控制成核和生長過程，並且強調了跨學科合作的重要性。
這種研究進展不僅推動了材料科學的發展，還為未來量子光子器件的設計和莫爾材料中新量子現象的探索提供了新的思路。特別是在設計下一代電子和光電子裝置方面，2DACs的潛力正逐步顯現。總體而言，克服這些挑戰將為量子計算、量子通訊及先進電子器件的實現鋪平道路，並可能引領新的技術革命。
本文來自“低維材料前沿”。
