晶体是计算机、通讯(xun)、航空(kong)、激光技(ji)术等(deng)领域的关(guan)键材料。传统制备大尺寸晶体的方法，通常是在晶体小(xiao)颗粒表面“自下而上”层(ceng)层(ceng)堆砌原(yuan)子(zi)，好像“盖房子(zi)”，从地(di)基逐(zhu)层(ceng)“砌砖”，最终搭建(jian)成(cheng)“屋”。
北京(jing)大学科研团队在国际(ji)上首创出一种全新的晶体制备方法，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(mei)层(ceng)晶体结构的快速(su)生长和(he)均一排布(bu)，极大提(ti)高(gao)了晶体结构的可控性。这种“长材料”的新方法有望提(ti)升芯片的集成(cheng)度和(he)算力，为新一代电子(zi)和(he)光子(zi)集成(cheng)电路提(ti)供(gong)新的材料。这一突破性成(cheng)果于7月(yue)5日在线(xian)发表于《科学》杂志。
▲用“晶格传质-界面生长”新方法制备晶圆级二维晶体
北京(jing)大学物理学院凝聚(ju)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(yuan)子(zi)的种类、排布(bu)方式等(deng)需严格筛(shai)选才能堆积结合，形成(cheng)晶体。随着原(yuan)子(zi)数目不断增加，原(yuan)子(zi)排列逐(zhu)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(yuan)子(zi)排列，更精细调控晶体生长过(guo)程。
为此，刘开辉及其合作者原(yuan)创提(ti)出名为“晶格传质-界面生长”的晶体制备新范式：先(xian)将原(yuan)子(zi)在“地(di)基”，即厘米级的金属表面排布(bu)形成(cheng)第一层(ceng)晶体，新加入的原(yuan)子(zi)再进入金属与第一层(ceng)晶体间，顶着上方已形成(cheng)晶体层(ceng)生长，不断形成(cheng)新的晶体层(ceng)。
▲用“晶格传质-界面生长”新方法制备二维晶体过(guo)程
实验证明，这种“长材料”的独特方法可使晶体层(ceng)架构速(su)度达到每(mei)分钟50层(ceng)，层(ceng)数最高(gao)达1.5万层(ceng)，且每(mei)层(ceng)的原(yuan)子(zi)排布(bu)完全平行、精确可控，有效避免(mian)了缺陷积累，提(ti)高(gao)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(deng)7种高(gao)质量的二维晶体，这些晶体的单层(ceng)厚度仅为0.7纳米，而目前使用的硅材料多为5到10纳米。
▲基于二维晶体的电子(zi)和(he)光子(zi)集成(cheng)电路
“将这些二维晶体用作集成(cheng)电路中晶体管的材料时，可显著提(ti)高(gao)芯片集成(cheng)度。在指甲盖大小(xiao)的芯片上，晶体管密度可得(de)到大幅提(ti)升，从而实现更强大的计算能力。”刘开辉说(shuo)，此外，这类晶体还可用于红(hong)外波段变频控制，有望推动超薄光学芯片的应用。
【原(yuan)标题】突破性成(cheng)果！我国科学家(jia)首创
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编辑 | 张青津
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