北京大學科研團隊首創出全新的晶體制備方法

該科研團隊在晶體制備方法上采用了“晶格傳質-界面生長”技術，首次實現了層數及堆垛結構可控的菱方相二維疊層單晶的通用制備，可以讓材料如“頂著上方結構往上走”的“頂竹筍”一般生長，確保每層晶體結構的快速生長和均一排布，極大提高了晶體結構的可控性。

近日，北京大學劉開輝教授科研團隊在國際上首創出一種全新的晶體制備方法。這種方法被形象地稱為“頂竹筍”式生長，可保證每層晶體結構的快速生長和均一排布，極大提高了晶體結構的可控性。

這種“長材料”的新方法有望提升芯片的集成度和算力，為新一代電子和光子集成電路提供新的材料。這一突破性成果于7月5日在線發表于《科學》雜志。

圖1.發展“晶格傳質-界面外延”生長新范式，制備晶圓級3R-TMDs單晶（圖源：北京大學）

北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所所長劉開輝教授介紹，傳統晶體制備方法的局限性在于，原子的種類、排布方式等需嚴格篩選才能堆積結合，形成晶體。隨著原子數目不斷增加，原子排列逐漸不受控，雜質及缺陷累積，影響晶體的純度質量。為此，急需開發新的制備方法，以更精確控制原子排列，更精細調控晶體生長過程。因此，該科研團隊在晶體制備方法上采用了“晶格傳質-界面生長”技術，首次實現了層數及堆垛結構可控的菱方相二維疊層單晶的通用制備。

整體來看，“頂竹筍”式生長晶體制備方法與傳統晶體生長方法相比有以下幾個顯著優勢：

一是快速生長和均一排布：該方法可以讓材料如“頂著上方結構往上走”的“頂竹筍”一般生長，確保每層晶體結構的快速生長和均一排布，極大提高了晶體結構的可控性。

二是提高芯片集成度：利用此新方法制備的二維晶體（如硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等）單層厚度僅為0.7納米，而目前使用的硅材料多為5到10納米。這些高質量的二維晶體用作集成電路中晶體管的材料時，可以顯著提高芯片的集成度。

三是適用于多種關鍵領域：晶體是計算機、通訊、航空、激光技術等領域的關鍵材料。傳統的制備大尺寸晶體的方法通常是在晶體小顆粒表面“自下而上”層層堆砌原子，而“頂竹筍”式方法則提供了一種新的解決方案，能夠更好地滿足這些領域對高性能晶體的需求。

劉開輝表示，“將這些二維晶體用作集成電路中晶體管的材料時，可顯著提高芯片集成度。在指甲蓋大小的芯片上，晶體管密度可得到大幅提升，從而實現更強大的計算能力。”此外，這類晶體還可用于紅外波段變頻控制，有望推動超薄光學芯片的應用。