Adv.Mater.：藍寶石基底上單晶二硫化鉬外延生長的介面原子機制

海歸學者發起的公益學術平臺

分享資訊，整合資源

交流學術，偶爾風月

二維材料，尤其是過渡金屬二硫族化合物（TMDCs），因其獨特的電學、光學及機械效能，近年來受到廣泛關注。其中，二硫化鉬（MoS₂）因其在電子學、光電子學及自旋電子學等領域的巨大應用潛力而備受矚目。在晶圓尺度上成功合成單晶單層MoS₂，對於其在大規模器件陣列中的實際應用至關重要。藍寶石（α-Al2O3）因其優異的晶體穩定性及六方表面對稱性，在半導體工業中被廣泛應用，同時提供了較為匹配的晶格引數，為TMDCs的外延生長提供了優越的平臺。

儘管此前在α-Al₂O₃襯底上實現單晶MoS₂的外延生長已取得一定進展，例如當前廣泛採用的襯底臺階工程策略，該方法通常依賴於對基底表面進行精確調控，如設計特定的斜切角或在高溫條件下進行退火處理，以最佳化表面形貌。然而，該策略在實際應用中仍然面臨較大的可重複性挑戰，這主要歸因於襯底表面製備的高度複雜性,以及非標準化實驗條件與生長引數對最終生長結果的不可預測性。既往研究觀察到模糊的介面層，推測可能是α-Al₂O₃表面終端結構或硫/鉬鈍化層，但目前缺乏直接的實驗證據，這對深入理解生長機制以及最佳化生長工藝的穩定性和質量仍然存在一定的限制。

基於以上問題，西湖大學工學院孔瑋團隊與中山大學李華山團隊首次在原子尺度上精確解析了生長介面的原子構型。我們發現介面處存在週期性的三氧化鉬（MoO₃）分子層，該層透過範德華外延方式生長在單個Al原子終端的α-Al₂O₃襯底上。這一發現與先前關於表面終止和介面原子構型的報道存在本質差異。所提出的結構在能量上高度穩定，其原子間距與實驗觀測完美吻合，確證了介面原子構型的正確性。進一步研究發現，MoO₃覆蓋層可增強MoS₂與襯底的相互作用，並在生長表面形成獨特的一重對稱性原子排列，從而促進MoS₂疇的單向對齊。

新策略實現了以二硫化鉬為代表的二維半導體單晶晶圓在商用絕緣體襯底上的外延生長，為基於二維半導體的大規模工業化應用提供了堅實的材料基礎。相關工作以“Interfacial Atomic Mechanisms of Single-crystalline MoS2 Epitaxy on Sapphire”為題發表於Advanced Materials。

圖1 α-Al₂O₃ (0001)上連續單晶MoS₂單層膜的表徵

透過整合微分相襯掃描透射電子顯微鏡（iDPC-STEM）技術，研究者們觀察到了單層單晶MoS₂與α-Al₂O₃(0001)之間的介面原子結構，發現相較於轉移的材料，生長的MoS₂與襯底介面之間存在一層額外的週期性原子結構。這一新發現揭示了CVD生長過程中介面原子重構的獨特機制，表明MoS₂與α-Al₂O₃ (0001)襯底之間形成了新的介面相，該發現填補了TMDCs與α-Al₂O₃ (0001)襯底介面原子級表徵的空白，為理解TMDCs生長中的介面相互作用提供了直接實驗證據。

圖2 MoS₂/MoO₃/α-Al₂O₃(0001)的原子結構確定

結合密度泛函理論（DFT）與X射線光電子能譜表徵（XPS）發現介面由一層週期性的分子MoO₃中間層組成，透過範德瓦爾斯外延生長在單個Al終端的α-Al₂O₃ (0001)表面。利用理論+實驗確定了介面結構，我們能夠分析MoO₃中間層如何調控外延生長的結晶質量和取向。

圖3 MoO₃中間層促進電荷轉移增強了MoS₂與基底之間的相互作用

透過DFT計算，研究者們發現MoO₃中間層促進了MoS₂與基底之間的電荷轉移。具體來說，MoO₃中間層透過增加電荷轉移，顯著增強了MoS₂與襯底之間的介面耦合力。這一增強的介面相互作用使得MoS₂在生長過程中更加穩定，同時能夠促進材料的外延質量提升。進一步的實驗驗證，採用AFM探針刮痕法測得層間含有MoO₃的MoS₂/α-Al₂O₃ (0001)的介面粘附力較強。

這一發現的重要意義在於，增強的介面耦合力不僅可以提升MoS₂的生長穩定性和單晶質量，還使得MoS₂更容易受到襯底的調控。這一結果為二維材料與襯底之間的相互作用提供了新的理解，例如，襯底表面的微小變化，如溫度、壓力或表面處理，都可能對MoS₂的生長過程產生顯著影響。我們能夠在生長過程中精確控制介面的電子結構，進而實現對材料效能的精細調節，為未來的2D材料工程提供了更加靈活和可控的策略。

圖4 MoS₂三角形疇擇優取向的機制

層間的MoO₃透過降低α-Al₂O₃ (0001)表面的對稱性，促進了MoS₂疇的單向排列。結合DFT計算與改變實驗條件，研究者們展示了層間MoO₃在促進單晶MoS₂形成過程中的重要作用。具體而言，MoO₃中間層透過調節基底表面的電子結構，顯著提高了MoS₂的生長方向性，從而實現了單晶疇的定向排列。這一發現的意義在於，它為單晶MoS₂的可控生長提供了一個定量的標準，尤其是在層間MoO₃的覆蓋率和含量方面。透過精確控制MoO₃層的覆蓋程度，可以實現對MoS₂生長過程的有效調控，進而最佳化單晶的生長質量。

研究亮點

1.透過iDPC-STEM技術直接觀察到了單層單晶MoS₂與藍寶石之間的介面原子結構，介面由一層週期性的分子MoO₃中間層組成，透過範德華外延生長在單Al終端的藍寶石表面。
2.MoO₃中間層透過促進電荷轉移，增強了MoS₂與襯底介面相互作用。
3.MoO₃中間層將α-Al₂O₃表面的6重對稱性降低到1重對稱性，從而促進了MoS₂的單向排列，透過觀察MoO₃覆蓋度，研究者們提出了一種基於MoO₃覆蓋率測量的定量監測與生長動力學控制策略，該方法不依賴於特定的生長條件與實驗設定。該研究為提高材料質量和工藝重複性提供了重要途徑，併為α-Al₂O₃襯底上過渡金屬硫族化合物單晶外延生長的深入理解奠定了理論基礎。