二維（2D）材料家族近年來顯著擴展，包括近2000種理論預(yù)測和數(shù)百種實驗室可接近的物種。這一演變得益于材料制備技術(shù)的進步，尤其是機械剝離和溶液基剝離等方法的發(fā)展。機械剝離從體塊晶體中分離出高質(zhì)量的石墨烯，雖然在探索和分離方面開創(chuàng)性，但在大規(guī)模生產(chǎn)上仍面臨挑戰(zhàn)。相反，溶液基剝離方法雖能擴展2D材料的生產(chǎn)規(guī)模，卻可能引入缺陷、雜質(zhì)和化學(xué)修飾，限制了其應(yīng)用。
為此，外延生長技術(shù)以其能在各種基底上組裝原子或分子成二維材料的特點脫穎而出，無需晶格匹配要求，且能精確控制成分和晶質(zhì)，展示了制造大面積高質(zhì)量單晶薄膜的潛力。二維材料外延的歷史可以追溯到上世紀60年代，當(dāng)時John May在高溫金屬基底上的烴類中發(fā)現(xiàn)了低能電子衍射圖案，并歸因為‘單層石墨’的概念。然而，這些探索最初局限于表面物理學(xué)領(lǐng)域，并未引起廣泛關(guān)注。直至2004年石墨烯的發(fā)現(xiàn)和分離，外延生長領(lǐng)域經(jīng)歷了轉(zhuǎn)變，激發(fā)了一系列探索和突破，推動了單晶薄膜的工業(yè)化生產(chǎn)。
鑒于此，北京大學(xué)劉開輝團隊在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表了題為“Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures”的最新綜述文章。本研究中提及，外延生長技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了包括石墨烯、六角硼氮化物（hBN）和過渡金屬二硫化物（TMDCs）在內(nèi)的典型2D材料的大規(guī)模單晶生長。這些成就不僅局限于平面單晶單層的控制，還擴展到了垂直同質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備，包括具有控制堆疊和扭轉(zhuǎn)角度的人工多層系統(tǒng)。
未來的研究前景涵蓋了更多新興二維材料的外延生長，如單元素物種、非過渡金屬硫化物、二維硼化物、碳化物、氮化物、氧化物和鹵化物等。盡管每個階段都面臨獨特的挑戰(zhàn)，但尋求普遍的外延原則將是實現(xiàn)這些材料應(yīng)用的關(guān)鍵。
值得一提的是，2024年5月，劉開輝教授率領(lǐng)其團隊發(fā)表Nature，僅過一個月再發(fā)兩篇Science，緊接著一月之后，劉開輝教授與中國人民大學(xué)劉燦副教授等人合作再發(fā)Science，這些成果都引起了學(xué)術(shù)界不小的關(guān)注。如今，他的成果再次登頂Nature大子刊。
（1）隨著二維材料家族的擴展，替代的溶液基剝離方法提供了可伸縮性的生產(chǎn)途徑，但可能導(dǎo)致材料中的缺陷、雜質(zhì)及化學(xué)修飾。相比之下，外延生長技術(shù)通過在各種基底上精確組裝原子或分子成二維材料，無需晶格匹配，展示了制造大面積高質(zhì)量單晶薄膜的潛力。
（2）二維材料外延的歷史可以追溯到20世紀60年代，當(dāng)時John May在高溫金屬基底上的烴類中發(fā)現(xiàn)了未指定的低能電子衍射圖案，這被歸因為‘單層石墨’的生長。這一早期探索奠定了后來vdW外延技術(shù)的基礎(chǔ)，盡管最初局限于表面物理學(xué)領(lǐng)域。
（3）在過去的兩個十年中，隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn)和分離，二維材料外延經(jīng)歷了多次技術(shù)突破，包括六角硼氮化物（hBN）和過渡金屬二硫化物（TMDCs）的實現(xiàn)。這些進展不僅推動了單晶薄膜的工業(yè)化生產(chǎn)，還促進了垂直同質(zhì)結(jié)構(gòu)如扭轉(zhuǎn)電子學(xué)和moire光子學(xué)的發(fā)展。
圖1：二維2D 范德華 van der Waals，vDW材料及其同質(zhì)結(jié)構(gòu)外延生長的代表性進展。
圖5: 轉(zhuǎn)角同質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造。
本文的科學(xué)在于探索二維范德瓦爾斯（vdW）材料外延生長的多方面技術(shù)路線和應(yīng)用潛力。通過研究二維材料的外延生長，我們不僅突破了傳統(tǒng)材料制備的限制，還展現(xiàn)了在平面單晶單層和垂直多層結(jié)構(gòu)方面的精確控制能力。這種技術(shù)的進步不僅為材料科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域提供了新的材料平臺，還為下一代電子器件和功能性材料的設(shè)計與開發(fā)提供了新的思路和可能性。
此外，對缺陷、晶質(zhì)度、摻雜水平和結(jié)構(gòu)相的定量表征方法的發(fā)展，以及建立自包含和標準化的加工流程，將有助于提高二維材料的質(zhì)量和可靠性，推動其向半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用的進程。二維材料的功能化和定制化，特別是其在微納電機系統(tǒng)等超越摩爾應(yīng)用中的潛力，將為未來科技創(chuàng)新帶來重要的影響。通過建立系統(tǒng)化的材料數(shù)據(jù)庫和利用機器學(xué)習(xí)，我們能夠更有效地理解和設(shè)計二維材料的性能和應(yīng)用，為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的進一步發(fā)展提供重要的科學(xué)意義。
Liu, C., Liu, T., Zhang, Z. et al. Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01704-3
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