一、【科学背景】
二维半导体因其原子级厚度、高迁移率及三维集成兼容性，成为后硅时代延续摩尔定律和构建三维集成电路的重要候选材料，而层间堆叠是调节其性质的关键参数，人工堆叠的多层二维材料具有天然材料所不具备的铁电性、超导性等奇特性质。 然而，早期研究依赖机械堆叠或从无堆叠控制的化学气相沉积（CVD）生长中筛选薄片，CVD中缺乏层间堆叠控制给大规模器件集成带来挑战。许多半导体金属二硫化物（如MoS2）存在六方相（2H）和菱方相（3R）两种热力学稳定多型体，菱方相因非中心对称结构在多个领域有应用前景，但目前其制备多依赖机械剥离，存在尺寸小、生产率低的问题，CVD虽有望制备大面积薄膜，却难以实现菱方相的堆叠控制，且缺乏相关生长机理见解，阻碍了其大面积生长。
二、【创新成果】
为攻克这一难题，南京大学王欣然教授课题组联合苏州实验室、东南大学等单位，使用同质外延策略，采用高质量单层单晶MoS2作为外延衬底，通过精准调控过渡金属前驱体浓度，成功实现了具有纯3R相的多层MoS2晶圆的制备。借助人工智能图像识别技术，对堆垛结构进行自动化识别与统计分析，证实3R相占比接近100%。从微观到宏观尺度，通过截面和平面扫描透射电子显微镜（STEM）、超低频拉曼光谱和二次谐波产生（SHG）等多手段对制备的多层MoS₂进行堆垛表征，全面验证了所制材料的3R相一致性。该成果以“Homoepitaxial growth of large-area Rhombohedral-stacked MoS2”为题发表在国际学术期刊《Nature Materials》。
图1. 晶圆级菱方相多层MoS2 © 2025 Springer Nature Limited
图2. 菱方相MoS2光谱学表征 © 2025 Springer Nature Limited
图3. 菱方相堆叠MoS2的原子分辨表征© 2025 Springer Nature Limited
图4. 菱方相MoS2的选择性生长机制© 2025 Springer Nature Limited
图5. 菱方相MoS2的铁电性© 2025 Springer Nature Limited
三、【科学启迪】
这项工作通过化学气相沉积以同质外延方式生长出大面积、高相纯度的菱方相堆叠MoS2薄膜，提出了缺陷促进的成核机制，并制备了基于菱方相MoS2的铁电半导体场效应晶体管，展示出非易失性存储特性。该研究中缺陷促进的选择性成核机制为人工堆叠二维材料的生长研究提供了思路，有望推动二维材料在大规模器件集成、多功能器件开发（如非线性光学、铁电器件等）领域的发展，为二维材料多功能异质集成带来新机遇。
原文信息：Liu, L., Li, T., Gong, X. et al. Homoepitaxial growth of large-area rhombohedral-stacked MoS2. Nat. Mater. (2025).
