清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队Chemical Reviews综述：二维材料及其异质结构的化学气相沉积法生长和应用

引言

二维材料因其丰富的材料种类及可调的电子、光电和化学性质，有望在未来电子和能源器件中发挥重要作用，此类材料近年来吸引了越来越多的关注和研究。此外，基于二维材料的异质结构，包括二维/二维、二维/一维、二维/零维（统称2D/xD异质结构），通常表现出独特的物理现象，是基础研究和构建高性能器件的理想平台。要实现这些目标，大规模可控制备高质量二维材料及其异质结构就显得尤为重要。化学气相沉积（CVD）是生长二维材料的重要方法之一，以CVD法生长二维材料在过去几年取得了巨大的发展，目前已广泛用于生长二维材料及其异质结构。然而，要实现各种高质量二维材料的可控制备，还面临诸多挑战。

近日，清华-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室成会明院士、刘碧录研究员团队受邀在知名综述期刊Chemical Reviews上发表了题为“Chemical Vapor Deposition Growth and Applications of Two-Dimensional Materials and Their Heterostructures”的综述文章。该综述从CVD方法的基本原理和反应过程出发，针对二维材料CVD生长面临的挑战，系统阐述了单晶二维材料，尤其是过渡金属硫族化合物（TMDC）的生长机理及最新研究成果。在此基础上，深入分析了生长晶圆尺寸连续、均匀二维材料薄膜的关键技术。论文进一步探讨了各种二维材料异质结构的设计策略、生长技术，及其在电子、光电子、传感器、柔性器件和电催化等领域的应用。最后，该论文指出了CVD生长二维材料及其异质结构的关键挑战并提出了该领域未来的重要研究方向和机遇。

图文简介

 图1. 综述总览图。CVD生长二维材料大单晶、晶圆尺寸连续薄膜、异质结构及其应用

 图2. CVD反应基础过程及反应参数（衬底、前驱体、温度、压力）调控

 图3. CVD生长二维材料单晶。从晶畴尺寸、层数、取向、形貌、物相、掺杂和缺陷的角度阐述二维材料单晶的可控生长

图4. CVD生长二维材料的科学技术路线图

总结与展望

在过去的几年里，CVD方法被广泛应用于各种二维材料的生长，包括高质量单晶、连续薄膜、以及二维材料异质结构，在很大程度上实现了二维材料的可控制备，对其基础研究和应用探索夯实了材料基础。然而，相比于石墨烯，CVD制备TMDC仍处于初级阶段，面临着一些重大挑战。如：
（1）CVD生长二维材料的机理认识不够；
（2）晶圆级单晶材料的合成仍有待实现；
（3）二维材料异质结构还需从组成和结构上进一步拓展。

基于目前研究现状，该文提出以下8个方面的研究方向。
1.CVD生长系统的创新
2.盐辅助二维材料生长
3.高质量二维材料生长
4.二维材料大单晶和快速生长
5.具有新奇特物性的新型二维材料探索与生长
6.低温生长二维材料及其在柔性器件应用
7.二维异质结的可控生长
8.高性能大规模电子/光电子器件制备

该综述论文第一作者是清华-伯克利深圳学院2016级博士生蔡正阳，论文通讯作者为成会明院士和刘碧录研究员。论文作者还包括邹小龙研究员。

相关工作得到了国家自然科学基金委、中组部青年“千人计划”、深圳市科创委、深圳市发改委等部门的支持。

实验室简介：清华—伯克利深圳学院“低维材料与器件实验室”(The Low Dimensional Materials and Devices Laboratory)主要从事低维材料的理论设计、可控生长及其在电子和能源器件领域的应用。本实验室以成会明院士为实验室主任，目前有4位PI（包括成会明教授、刘碧录研究员，邹小龙研究员、丘陵研究员）。

文献链接：Chemical Vapor Deposition Growth and Applications of Two-Dimensional Materials and Their Heterostructures (Chem. Rev., 2018, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00536)

以上资料来自清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录老师团队，特此感谢！

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