二维干货：二维材料制备、器件技术进展！

二维材料，如石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDCs），因其广泛的光谱吸收、增强的灵敏度、固有的柔性以及快速的响应时间而被认为优于传统的半导体探测器。然而，这些材料的广泛应用受到大规模合成方法的挑战，需要能够精确控制形态和结构的生产技术。化学气相沉积（CVD）作为一种主要的制备方法，因其可扩展性和控制能力而成为重要选择。研究者们在石墨烯和TMDCs的合成方面取得了显著进展，包括在不同基底上实现晶片级单晶生长，以及制备大面积多晶薄膜的技术突破。此外，其他二维材料如六方硼氮化物（hBN）和2H钼二碲化物（MoTe₂）也展示了在光电探测器性能提升方面的潜力。本文将深入探讨这些材料的合成方法、结构特性以及它们在未来光电子学中的前景，旨在为下一代纳米电子学技术的发展提供重要的理论和实验基础。

简述

基于2D材料的光电探测器具有诸多优点，优于传统的半导体探测器，如宽广的光谱吸收、增强的灵敏度、固有的柔韧性以及快速的响应时间。

此外，2D材料处于将摩尔定律延伸至亚纳米(<1 nm)尺度前沿。然而，将2D材料应用于下一代纳米电子和光电子技术，关键在于解决大规模合成的挑战。这一必要性源自于2D材料的特性，对其应用至关重要，而这些特性与其形态和结构质量密切相关，因此需要能够精确复制这些特征的大规模生产方法。在各种技术中，化学气相沉积（CVD）由于其可扩展性和控制能力而成为制备高质量TMD单层的主要方法。

石墨烯

在石墨烯的合成方面取得了显著进展。最初，通过CVD在多晶Ni箔上成功合成了晶片级多晶单层石墨烯薄膜（2007年），随后在Cu箔上（2009年）。后来，焦点转向了在单晶氢化Ge (110) 表面合成单晶单层石墨烯，这反映了向晶片级单晶的行业趋势（2011年）。实现晶片级单晶单层石墨烯主要探索了两种方法：从单个核心生长成大薄膜，以及将多个对齐的石墨烯岛屿无缝拼接。前者首次在多晶Ni-Cu合金上实现了1.5英寸大小的晶片级单晶石墨烯（2015年），后来扩展到了2018年的12英寸尺寸。后者首次在Cu (111) 上实现了2英寸单晶石墨烯，最终扩展到2018年的米级尺寸（见图1）。

图1. 石墨烯合成发展的历史里程碑。

2D过渡金属二硫化物

合成TMDCs的进展是有希望的，但需要进一步的发展。2022年，在c面蓝宝石上成功生长了双层MoS₂，达到了英寸级别，并且在2020年在Au（111）基板上成功合成了单层单晶MoS₂。此外，单层单晶TMDCs，如MoS₂和WS₂，已在蓝宝石的各种晶面上达到了2英寸的尺度。2020年在4英寸蓝宝石和聚对苯二甲酸甲酯（parylene C）基底上开发了单层多晶MoS₂薄膜。最近，多晶MoS₂的制备规模扩展到了12英寸，达到了工业级别。薛等人采用了创新的方法，不仅仅通过增加室内空间大小，而是通过改变传统CVD过程中的Mo和S前体来制备大规模的多晶MoS₂薄膜。为了与行业需求和光电子学的未来保持一致，进一步扩展合成能力至关重要，旨在制备更大规模的高质量单晶TMDCs（见图2）。

其他二维材料

除了石墨烯和TMDCs之外，对其他用于光电探测器应用的2D材料的研究正在迅速推进。六方硼氮化物（hBN）和2H钼二碲化物（MoTe₂）是显著的例子，它们显示出显著改善光电探测器性能的潜力。李等人（2018年）成功合成了晶片级单晶hBN单层膜，王等人（2019年）和陈等人（2020年）报道了在铜上外延生长单晶hBN单层，展示了hBN在提高光电探测器效率方面的关键作用。类似地，徐等人（2021年）开发的用于制备晶片级单晶2H MoTe₂薄膜的方法为TMDCs在光电探测器应用中引入了新的机会，提供了在广泛光谱范围内实现广泛电性能的均匀高质量薄膜是必不可少的。这些进展突显了扩展2D材料家族的重要性，标志着解决现有光电探测器缺陷的重要一步。这一进展促使设备具有更高的灵敏度、灵活性和光谱响应性，推动光电探测器技术向更复杂的光电子学领域迈进。

图2. 晶片级过渡金属二硫化物合成总结。蓝色、紫色、黄色和橙色背景分别对应1英寸、2英寸、4英寸和12英寸晶片。

小结

在2D材料领域，特别是石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDCs）的合成技术取得了显著进展。石墨烯的发展经历了从多晶膜到单晶膜的转变，并实现了从小尺寸到米级尺度的生长，为其在电子学和光电子学中的广泛应用奠定了基础。而TMDCs的合成也在不断进步，包括在各种晶面上实现的单晶单层TMDCs的制备，以及在多晶形式上的扩展到12英寸的工业级别。此外，其他2D材料如六方硼氮化物（hBN）和2H钼二碲化物（MoTe₂）也展示了在提高光电探测器性能方面的潜力。这些进展不仅扩展了2D材料家族，还推动了光电探测器技术朝着更灵敏、更灵活、响应光谱更广泛的方向发展，为未来光电子学设备的创新奠定了基础。

参考文献：Yu Wang, Luyao Mei, Yun Li, Xue Xia, Nan Cui, Gen Long, Wenzhi Yu, Weiqiang Chen, Haoran Mu, Shenghuang Lin, “Integration of two-dimensional materials based photodetectors for on-chip applications”, Physics Reports, 1081, 1-41 (2024).