二維材料具有原子級的厚度、 優(yōu)異的電子傳輸及光電特性等新穎物理特性， 是發(fā)展高性能電子與光電子器件的理想載體， 有望延續(xù)傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體工業(yè)“摩爾定律”， 進(jìn)一步提升芯片晶體管集成密度。 然而，制備高質(zhì)量的二維材料的工藝溫度普遍較高，遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體 CMOS（互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）芯片制程工藝的溫度限制， 這嚴(yán)重制約了二維材料與硅基集成電路的集成應(yīng)用。雖然可以通過引入額外機(jī)械轉(zhuǎn)移工藝實現(xiàn)二維材料的集成，但通過機(jī)械轉(zhuǎn)移方法制備的樣品不僅難以控制產(chǎn)物形貌尺寸，耗時低效，并且常在材料界面引入化學(xué)雜質(zhì)，導(dǎo)致材料性能的明顯衰退，難以規(guī)模化應(yīng)用。因此，實現(xiàn)高質(zhì)量二維材料的低溫直接生長是推進(jìn)其在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的理想解決方案。

近日，我院張禮杰等人針對二維材料及異質(zhì)結(jié)與半導(dǎo)體芯片單片集成面臨的溫度限制難題，在二維材料及其異質(zhì)結(jié)的低溫可控生長與低溫生長機(jī)理方面，首先發(fā)展了范德華襯底輔助低溫外延生長策略，實現(xiàn)了系列二維金屬碘化物（ PbI2、CdI2、BiI3、CuI）在較低溫度下的可控生長，結(jié)合理論計算，揭示了擴(kuò)散勢壘對二維碘化物生長的影響規(guī)律，為低溫生長高質(zhì)量二維材料提供了策略和理論指導(dǎo)，該研究成果發(fā)表在在材料領(lǐng)域國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》。

圖1 ：范德華襯底協(xié)同二維碘化物低溫原位替代生長二維金屬硫化物及光電性能

在此基礎(chǔ)上，張禮杰研究員等設(shè)計了一種普適性的范德華襯底協(xié)同二維碘化物低溫原位替代生長方法，實現(xiàn)了 17 種高質(zhì)量二維金屬硫化物及其異質(zhì)結(jié)的超低溫可控生長（≤ 400℃），結(jié)合理論計算，闡明了超低溫原位替代生長機(jī)理，揭示了硫元素替換碘元素的低取代勢壘微觀本質(zhì)，并且在＜ 400℃下實現(xiàn)了多種二維材料及其異質(zhì)結(jié)的大面積陣列集成，為二維材料與半導(dǎo)體芯片后端制造工藝的溫度兼容性問題提供了一種可行性方案，為二維材料及其異質(zhì)結(jié)的單片集成提供了一種新思路。該研究成果以“Epitaxial substitution of metal iodides for low-temperature growth of two-dimensional metal chalcogenides”為題目發(fā)表在在Nature 子刊《Nature Nanotechnology》，溫州大學(xué)為共同通訊單位，我校化材學(xué)院張禮杰、香港大學(xué)Lain-Jong Li、香港科技大學(xué)羅正湯、廣東工業(yè)大學(xué)黃少銘為共同通訊作者，我校化材學(xué)院青年教師趙梅為共同第一作者。

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https://doi.org/10.1038/s41565-023-01326-1