晶体是计算机、通讯、航(hang)空、激光技术等领域的关键(jian)材料。传统(tong)制(zhi)备大尺寸晶体的方法，通常是在晶体小(xiao)颗粒表面(mian)“自下而上”层(ceng)层(ceng)堆砌原(yuan)子，好像“盖房子”，从(cong)地基逐层(ceng)“砌砖”，最终(zhong)搭建成“屋”。
北京大学科(ke)研(yan)团队在国际上首创出一种全新的晶体制(zhi)备方法，让材料如“顶着上方结(jie)构往上走”的“顶竹笋”一般生长(chang)，可(ke)保证(zheng)每层(ceng)晶体结(jie)构的快速生长(chang)和均一排布，极大提高了晶体结(jie)构的可(ke)控性。这种“长(chang)材料”的新方法有望提升芯片的集成度和算力，为(wei)新一代电子和光子集成电路提供新的材料。这一突破性成果于7月(yue)5日(ri)在线发表于《科(ke)学》杂志。
▲用(yong)“晶格传质-界面(mian)生长(chang)”新方法制(zhi)备晶圆级二维晶体
北京大学物理(li)学院凝聚态(tai)物理(li)与材料物理(li)研(yan)究所所长(chang)刘开辉(hui)教授介绍，传统(tong)晶体制(zhi)备方法的局限性在于，原(yuan)子的种类(lei)、排布方式(shi)等需严格筛选才能堆积结(jie)合，形成晶体。随着原(yuan)子数(shu)目不断增加，原(yuan)子排列逐渐不受控，杂质及(ji)缺陷累(lei)积，影(ying)响晶体的纯度质量(liang)。为(wei)此，急需开发新的制(zhi)备方法，以更精确控制(zhi)原(yuan)子排列，更精细调(diao)控晶体生长(chang)过程(cheng)。
为(wei)此，刘开辉(hui)及(ji)其合作者原(yuan)创提出名为(wei)“晶格传质-界面(mian)生长(chang)”的晶体制(zhi)备新范式(shi)：先将原(yuan)子在“地基”，即厘米级的金属表面(mian)排布形成第一层(ceng)晶体，新加入的原(yuan)子再进入金属与第一层(ceng)晶体间，顶着上方已形成晶体层(ceng)生长(chang)，不断形成新的晶体层(ceng)。
▲用(yong)“晶格传质-界面(mian)生长(chang)”新方法制(zhi)备二维晶体过程(cheng)
实验证(zheng)明，这种“长(chang)材料”的独特方法可(ke)使晶体层(ceng)架构速度达(da)到每分钟50层(ceng)，层(ceng)数(shu)最高达(da)1.5万(wan)层(ceng)，且每层(ceng)的原(yuan)子排布完全平行、精确可(ke)控，有效(xiao)避免了缺陷积累(lei)，提高了结(jie)构可(ke)控性。利用(yong)此新方法，团队现已制(zhi)备出硫(liu)化钼、硒化钼、硫(liu)化钨等7种高质量(liang)的二维晶体，这些晶体的单层(ceng)厚度仅为(wei)0.7纳(na)米，而目前使用(yong)的硅材料多为(wei)5到10纳(na)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(yong)作集成电路中晶体管的材料时，可(ke)显著(zhu)提高芯片集成度。在指甲盖大小(xiao)的芯片上，晶体管密度可(ke)得到大幅提升，从(cong)而实现更强大的计算能力。”刘开辉(hui)说，此外，这类(lei)晶体还可(ke)用(yong)于红外波段变频控制(zhi)，有望推(tui)动超薄光学芯片的应用(yong)。
【原(yuan)标题(ti)】突破性成果！我国科(ke)学家首创
来源| 人民日(ri)报微信公(gong)众号
编(bian)辑 | 张青津
责编(bian)|夏丽娟(juan)