传统制备大尺寸晶体的方法，通常是在晶体小颗粒表面“自下而上”层层堆砌原子。北京大学科研团队首创出一种全新的晶体制备方法“晶格传质-界面外延”，让材料如“顶着上方结构往上走”的“顶竹笋”一般生长，可保证每层晶体结构的快速生长和均一排布，极大提高了晶体结构的可控性。这种新方法有望提升芯片的集成度和算力，为新一代电子和光子集成电路提供新的材料。
据北京大学消息，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授课题组与合作者提出“晶格传质-界面外延”材料制备新范式，首次实现了层数及堆垛结构可控的菱方相二维叠层单晶的通用制备。该材料在电学上达到国际器件与系统路线图（IRDS）的2028年半导体器件迁移率目标要求，在光学上实现近红外波段超薄高能效光学晶体频率转换。2024年7月5日，相关成果以“多层菱方相过渡金属硫族化合物单晶的界面外延”（Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals）为题，在线发表于《科学》（Science）。
制备晶圆级3R-TMDs单晶
据北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉教授介绍，传统晶体制备方法的局限性在于，原子的种类、排布方式等需严格筛选才能堆积结合形成晶体。随着原子数目不断增加，原子排列逐渐不受控，杂质及缺陷累积，影响晶体的纯度质量。为此，急需开发新的制备方法，以更精确控制原子排列，更精细调控晶体生长过程。
为此，刘开辉及其合作者原创提出名为“晶格传质-界面生长”的晶体制备新范式：先将原子在“地基”，即厘米级的金属表面排布形成第一层晶体，新加入的原子再进入金属与第一层晶体间，顶着上方已形成晶体层生长，不断形成新的晶体层。
实验证明，这种独特的方法可使晶体层架构速度达到每分钟50层，层数最高达1.5万层，且每层的原子排布完全平行、精确可控，有效避免了缺陷积累，提高了结构可控性。利用此新方法，团队现已制备出硫化钼、硒化钼、硫化钨等7种高质量的二维晶体，这些晶体的单层厚度仅为0.7纳米，而目前使用的硅材料多为5-10纳米。
基于二维晶体的电子和光子集成电路
“将这些二维晶体用作集成电路中晶体管的材料时，可显著提高芯片集成度。在指甲盖大小的芯片上，晶体管密度可得到大幅提升，从而实现更强大的计算能力。”刘开辉说，此外，这类晶体还可用于红外波段变频控制，有望推动超薄光学芯片的应用。
