北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)出全新的晶體制備方法

該科研團(tuán)隊(duì)在晶體制備方法上采用了“晶格傳質(zhì)-界面生長(zhǎng)”技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了層數(shù)及堆垛結(jié)構(gòu)可控的菱方相二維疊層單晶的通用制備，可以讓材料如“頂著上方結(jié)構(gòu)往上走”的“頂竹筍”一般生長(zhǎng)，確保每層晶體結(jié)構(gòu)的快速生長(zhǎng)和均一排布，極大提高了晶體結(jié)構(gòu)的可控性。

近日，北京大學(xué)劉開(kāi)輝教授科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首創(chuàng)出一種全新的晶體制備方法。這種方法被形象地稱(chēng)為“頂竹筍”式生長(zhǎng)，可保證每層晶體結(jié)構(gòu)的快速生長(zhǎng)和均一排布，極大提高了晶體結(jié)構(gòu)的可控性。

這種“長(zhǎng)材料”的新方法有望提升芯片的集成度和算力，為新一代電子和光子集成電路提供新的材料。這一突破性成果于7月5日在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

圖1.發(fā)展“晶格傳質(zhì)-界面外延”生長(zhǎng)新范式，制備晶圓級(jí)3R-TMDs單晶（圖源：北京大學(xué)）

北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長(zhǎng)劉開(kāi)輝教授介紹，傳統(tǒng)晶體制備方法的局限性在于，原子的種類(lèi)、排布方式等需嚴(yán)格篩選才能堆積結(jié)合，形成晶體。隨著原子數(shù)目不斷增加，原子排列逐漸不受控，雜質(zhì)及缺陷累積，影響晶體的純度質(zhì)量。為此，急需開(kāi)發(fā)新的制備方法，以更精確控制原子排列，更精細(xì)調(diào)控晶體生長(zhǎng)過(guò)程。因此，該科研團(tuán)隊(duì)在晶體制備方法上采用了“晶格傳質(zhì)-界面生長(zhǎng)”技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了層數(shù)及堆垛結(jié)構(gòu)可控的菱方相二維疊層單晶的通用制備。

整體來(lái)看，“頂竹筍”式生長(zhǎng)晶體制備方法與傳統(tǒng)晶體生長(zhǎng)方法相比有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

一是快速生長(zhǎng)和均一排布：該方法可以讓材料如“頂著上方結(jié)構(gòu)往上走”的“頂竹筍”一般生長(zhǎng)，確保每層晶體結(jié)構(gòu)的快速生長(zhǎng)和均一排布，極大提高了晶體結(jié)構(gòu)的可控性。

二是提高芯片集成度：利用此新方法制備的二維晶體（如硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等）單層厚度僅為0.7納米，而目前使用的硅材料多為5到10納米。這些高質(zhì)量的二維晶體用作集成電路中晶體管的材料時(shí)，可以顯著提高芯片的集成度。

三是適用于多種關(guān)鍵領(lǐng)域：晶體是計(jì)算機(jī)、通訊、航空、激光技術(shù)等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。傳統(tǒng)的制備大尺寸晶體的方法通常是在晶體小顆粒表面“自下而上”層層堆砌原子，而“頂竹筍”式方法則提供了一種新的解決方案，能夠更好地滿(mǎn)足這些領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芫w的需求。

劉開(kāi)輝表示，“將這些二維晶體用作集成電路中晶體管的材料時(shí)，可顯著提高芯片集成度。在指甲蓋大小的芯片上，晶體管密度可得到大幅提升，從而實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的計(jì)算能力。”此外，這類(lèi)晶體還可用于紅外波段變頻控制，有望推動(dòng)超薄光學(xué)芯片的應(yīng)用。