西湖大学工学院孔玮团队提出蓝宝石基底上单晶二硫化钼外延生长的界面原子机制

西湖大学工学院孔玮研究员提出了一种新策略，实现了以二硫化钼为代表的二维半导体单晶晶圆在商用绝缘体衬底上的外延生长，为基于二维半导体的大规模工业化应用提供了坚实的材料基础。相关工作以“Interfacial Atomic Mechanisms of Single-crystalline MoS₂ Epitaxy on Sapphire”为题发表于《Advanced Materials》。

二维材料，尤其是过渡金属二硫族化合物（TMDCs），因其独特的电学、光学及机械性能，近年来受到广泛关注。其中，二硫化钼（MoS₂）因其在电子学、光电子学及自旋电子学等领域的巨大应用潜力而备受瞩目。在晶圆尺度上成功合成单晶单层MoS₂，对于其在大规模器件阵列中的实际应用至关重要。蓝宝石（α-Al₂O₃）因其优异的晶体稳定性及六方表面对称性，在半导体工业中被广泛应用，同时提供了较为匹配的晶格参数，为TMDCs的外延生长提供了优越的平台。

尽管此前在α-Al₂O₃衬底上实现单晶MoS₂的外延生长已取得一定进展，例如当前广泛采用的衬底台阶工程策略，该方法通常依赖于对基底表面进行精确调控，如设计特定的斜切角或在高温条件下进行退火处理，以优化表面形貌。然而，该策略在实际应用中仍然面临较大的可重复性挑战，这主要归因于衬底表面制备的高度复杂性,以及非标准化实验条件与生长参数对最终生长结果的不可预测性。既往研究观察到模糊的界面层，推测可能是α-Al₂O₃表面终端结构或硫/钼钝化层，但目前缺乏直接的实验证据，这对深入理解生长机制以及优化生长工艺的稳定性和质量仍然存在一定的限制。

基于以上问题，西湖大学工学院孔玮团队与中山大学李华山团队首次在原子尺度上精确解析了生长界面的原子构型。我们发现界面处存在周期性的三氧化钼（MoO₃）分子层，该层通过范德华外延方式生长在单个Al原子终端的α-Al₂O₃衬底上。这一发现与先前关于表面终止和界面原子构型的报道存在本质差异。所提出的结构在能量上高度稳定，其原子间距与实验观测完美吻合，确证了界面原子构型的正确性。进一步研究发现，MoO₃覆盖层可增强MoS₂与衬底的相互作用，并在生长表面形成独特的一重对称性原子排列，从而促进MoS₂畴的单向对齐。

图1 α-Al₂O₃ (0001)上连续单晶MoS₂单层膜的表征

通过集成微分相衬扫描透射电子显微镜 （iDPC-STEM）技术，研究者们观察到了单层单晶MoS₂与α-Al₂O₃ (0001)之间的界面原子结构，发现相较于转移的材料，生长的MoS₂与衬底界面之间存在一层额外的周期性原子结构。这一新发现揭示了CVD生长过程中界面原子重构的独特机制，表明MoS₂与α-Al₂O₃ (0001)衬底之间形成了新的界面相，该发现填补了TMDCs与α-Al₂O₃ (0001)衬底界面原子级表征的空白，为理解TMDCs生长中的界面相互作用提供了直接实验证据。

图2 MoS₂/MoO₃/α-Al₂O₃ (0001)的原子结构确定

结合密度泛函理论（DFT）与X射线光电子能谱表征（XPS）发现界面由一层周期性的分子MoO₃中间层组成，通过范德瓦尔斯外延生长在单个Al终端的α-Al₂O₃ (0001)表面。利用理论+实验确定了界面结构，我们能够分析MoO₃中间层如何调控外延生长的结晶质量和取向。

图3 MoO₃中间层促进电荷转移增强了MoS₂与基底之间的相互作用

通过DFT计算，研究者们发现MoO₃中间层促进了MoS₂与基底之间的电荷转移。具体来说，MoO₃中间层通过增加电荷转移，显著增强了MoS₂与衬底之间的界面耦合力。这一增强的界面相互作用使得MoS₂在生长过程中更加稳定，同时能够促进材料的外延质量提升。进一步的实验验证，采用AFM探针刮痕法测得层间含有MoO₃的MoS₂/α-Al₂O₃ (0001)的界面粘附力较强。

这一发现的重要意义在于，增强的界面耦合力不仅可以提升MoS₂的生长稳定性和单晶质量，还使得MoS₂更容易受到衬底的调控。这一结果为二维材料与衬底之间的相互作用提供了新的理解，例如，衬底表面的微小变化，如温度、压力或表面处理，都可能对MoS₂的生长过程产生显著影响。我们能够在生长过程中精确控制界面的电子结构，进而实现对材料性能的精细调节，为未来的2D材料工程提供了更加灵活和可控的策略。

图4 MoS₂三角形畴择优取向的机制

层间的MoO₃通过降低α-Al₂O₃ (0001)表面的对称性，促进了MoS₂畴的单向排列。结合DFT计算与改变实验条件，研究者们展示了层间MoO₃在促进单晶MoS₂形成过程中的重要作用。具体而言，MoO₃中间层通过调节基底表面的电子结构，显著提高了MoS₂的生长方向性，从而实现了单晶畴的定向排列。这一发现的意义在于，它为单晶MoS₂的可控生长提供了一个定量的标准，尤其是在层间MoO₃的覆盖率和含量方面。通过精确控制MoO₃层的覆盖程度，可以实现对MoS₂生长过程的有效调控，进而优化单晶的生长质量。

本文亮点

1. 通过iDPC-STEM技术直接观察到了单层单晶MoS₂与蓝宝石之间的界面原子结构，界面由一层周期性的分子MoO₃中间层组成，通过范德华外延生长在单Al终端的蓝宝石表面。
2. MoO₃中间层通过促进电荷转移，增强了MoS₂与衬底界面相互作用。
3. MoO₃中间层将α-Al₂O₃表面的6重对称性降低到1重对称性，从而促进了MoS₂的单向排列，通过观察MoO₃覆盖度，研究者们提出了一种基于MoO₃覆盖率测量的定量监测与生长动力学控制策略，该方法不依赖于特定的生长条件与实验设置。该研究为提高材料质量和工艺重复性提供了重要途径，并为α-Al₂O₃衬底上过渡金属硫族化合物单晶外延生长的深入理解奠定了理论基础。 

本研究的第一作者为西湖大学-浙江大学联合培养博士生陈涵，西湖大学科研助理季琛与深圳职业技术大学陈雨轩老师担任共同第一作者,西湖大学工学院特聘研究员孔玮、中山大学李华山教授、西湖大学助理研究员朱华泽为本研究通讯作者。该工作得到了西湖大学未来产业研究中心和西湖教育基金的资助支持。

文章链接： https://doi.org/10.1002/adma.202414317