二维材料因其原子级的厚度而展现出优异的电学、光学、磁学和热学性质，在电子、光电和能源等领域具有广阔的应用前景。随着传统硅基器件逼近物理极限，摩尔定律的延续面临着巨大挑战，二维材料被寄望于超越硅基材料以实现新一代电子器件的构建。可控制备大尺寸单晶二维薄膜是实现其高性能和大规模应用的关键。过去十几年来，研究人员在二维单晶的材料生长方面付出了大量努力，典型的二维导体石墨烯、半导体过渡金属硫族化合物（transition metal dichalcogenides, TMD）和绝缘体六方氮化硼（hexanol boron nitride，hBN）的生长尺寸已经由微米级扩展到晶圆级。然而，二维材料薄膜通常需要覆盖在绝缘衬底上才能充分发挥性能，因此在绝缘衬底直接生长二维单晶材料是实现高性能电子和光电子器件的终极目标。
二维材料转移是在绝缘衬底上制备大尺寸单晶薄膜的通用方法，但是由于传统的转移方法通常涉及化学试剂或通过物理手段从生长衬底上剥离，化学试剂可能会残留在材料表面，物理转移方法也可能在材料表面造成划痕或裂纹，导致材料整体质量的降低。因此，直接在绝缘衬底上生长二维材料可以避免上述问题，从而确保二维材料的质量和性能得到最大程度的保留。目前直接在绝缘衬底上生长二维材料存在许多亟待解决的问题：
（1）对于石墨烯和hBN，其前驱体（如甲烷、氨硼烷等）在分解过程中需要高能量，通常依赖于具有催化活性的金属衬底。但是，大多数的绝缘衬底都不具备催化活性，因此在绝缘衬底上直接生长单晶石墨烯和hBN成为二维材料器件制造的一大挑战。
（2）对于TMD，其前驱体通常具有较高的反应活性，这使得其在不依赖衬底催化活性的情况下可以通过改变生长条件实现单晶生长。然而，目前在绝缘衬底上的TMD单晶外延生长仍然面临诸多挑战，它要求衬底具有严格的晶格匹配，并且依赖于原子台阶的精确控制。对于基于硅基工艺的非晶绝缘衬底而言，其表面能量、粗糙度、化学性质和结构特性与TMD材料的生长需求往往不匹配。因此，在绝缘氧化物衬底上实现TMD单晶的通用外延生长，仍然是一个亟待解决的技术难题。
本文深入讨论了近十年来单晶TMD、石墨烯和hBN在各类绝缘衬底上直接生长的多种策略及应用进展，对绝缘衬底上制备高质量二维单晶材料的生长的策略和机理进行了全面的总结。本文重点回顾了从原子台阶调控、籽晶辅助到金属催化辅助的化学气相沉积的技术发展，同时对绝缘衬底上全单晶二维材料器件的原位制造和应用提供了新的展望。未来在绝缘衬底上制备二维材料的研究将聚焦以下几个方面：（1）低温生长高质量的单晶二维材料；（2）控制多层二维材料的堆垛方式；（3）二维单晶材料的大面积异质结生长。
本文得到了国家自然科学基金（12322406, 52102043, 61905215）的资助。
图1 二维材料非催化和催化生长过程示意图
图2 原子台阶调控生长单层TMD
图3 绝缘衬底上制备单晶单层hBN
原文信息
Progress on the growth of two-dimensional single crystals on insulating substrates
曾凡凯, 白金霞, 张晓闻, 徐小志*. 绝缘衬底上二维单晶材料制备研究进展. 科学通报, 2024, 69(26): 3887–3899
https://doi.org/10.1360/TB-2024-0125
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