南京大学郝玉峰教授,大连理工大学高峻峰教授,北京理工大学黄元教授 Nano Res.: MOCVD 实现二维半导体范德华外延生长的蓝宝石晶面工程
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本文研究了通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在不同蓝宝石晶面（a-plane、m-plane 和 c-plane）上进行二维半导体材料（如 MoS₂）的范德华外延生长。研究发现，c-plane 蓝宝石由于其极性表面和高表面能，展现出更强的外延引导效应，导致 MoS₂ 域具有更大的尺寸、更高的覆盖率和更一致的取向。通过第一性原理计算，揭示了 c-plane 蓝宝石与 MoS₂ 之间更强的耦合特性。此外，基于 c-plane 蓝宝石生长的 MoS₂ 薄膜在电学性能上表现出更高的载流子迁移率（平均值为 25.8 cm²V⁻¹S⁻¹）和超过 10⁵ 的开关比。本研究为实现晶圆级单晶二维半导体薄膜的可控生长提供了理论依据和实验指导。
背景
传统的半导体外延生长依赖于强化学键合，需要严格的晶格匹配，这限制了外延材料的选择并降低了其性能。二维半导体材料（如过渡金属二硫化物，TMDC）因其原子级厚度、无悬挂键和优异的电子/光电子性能而备受关注。TMDC 薄膜通常通过化学气相沉积（CVD）方法的范德华外延机制生长，该机制放宽了晶格匹配的约束，扩展了异质外延生长的可能性。然而，衬底效应仍然显著且复杂，影响 TMDC 薄膜的结晶度、取向和器件性能。蓝宝石因其原子平整度和化学稳定性被广泛用于 TMDC 外延，但目前对于其不同晶面如何决定外延行为的理解仍然缺乏系统性。因此，深入理解蓝宝石晶面与 TMDC 薄膜之间的相互作用对于实现晶圆级单晶 TMDC 薄膜的可控生长至关重要。
主要内容
研究团队通过在不同蓝宝石晶面（a-plane、m-plane 和 c-plane）上进行 MoS₂ 的 MOCVD 生长，发现 c-plane 蓝宝石由于其极性表面和高表面能，展现出更强的外延引导效应。具体表现为 MoS₂ 域在 c-plane 上具有更大的尺寸（约 2.5μm）、更高的覆盖率（30 分钟生长时达到 14.09%）和更一致的取向（0°和 60°）。相比之下，a-plane 和 m-plane 上的 MoS₂ 域尺寸较小（约 1μm）、覆盖率较低（分别为 2.08% 和 4.36%），且取向随机。通过第一性原理计算，研究团队发现 c-plane 蓝宝石与 MoS₂ 之间的界面电荷密度更高（约 0.002 e/ų），表明更强的耦合效应。此外，c-plane 蓝宝石的表面吸附能（-3.574 eV nm⁻²）也远高于 a-plane 和 m-plane，进一步证实了其更强的原子吸附能力。电学特性测试表明，基于 c-plane 蓝宝石生长的 MoS₂ 薄膜展现出更高的载流子迁移率（平均值为 25.8 cm²V⁻¹S⁻¹）和超过 10⁵ 的开关比，这归因于更大的晶畴尺寸和更低的晶界密度，从而显著抑制了载流子散射。
实验细节
实验中，研究团队选择了 a-plane (112̅0)、m-plane (101̅0) 和 c-plane (0001) 蓝宝石衬底进行 MoS₂ 的外延生长。所有衬底在生长前均经过相同的预处理，包括在 O₂/Ar 气氛中 1100°C 下退火 4 小时。MoS₂ 的生长在自制的 MOCVD 系统中进行，使用 Mo(CO)₆ 和 H₂S 作为前驱体。生长参数包括：压力 200 mbar，生长温度 850°C，生长时间 30 分钟，Mo(CO)₆ 流量 1.58×10⁻³ sccm，H₂S 流量 10 sccm。
创新点
揭示了蓝宝石不同晶面（a-plane、m-plane 和 c-plane）对 MoS₂ 范德华外延生长的显著影响，特别是 c-plane 蓝宝石展现出更强的外延引导效应。
通过第一性原理计算，定量分析了蓝宝石不同晶面与 MoS₂ 之间的界面电荷密度和表面吸附能，揭示了 c-plane 蓝宝石与 MoS₂ 之间的强耦合特性。
实现了基于 c-plane 蓝宝石生长的 MoS₂ 薄膜在电学性能上的显著提升，包括更高的载流子迁移率（25.8 cm²V⁻¹S⁻¹）和超过 10⁵ 的开关比。
提供了晶圆级单晶二维半导体薄膜可控生长的通用策略，为下一代电子器件的发展提供了重要的实验和理论支持。
结论
本研究通过实验和理论计算相结合的方法，揭示了蓝宝石不同晶面对外延生长 MoS₂ 的显著影响。c-plane 蓝宝石因其极性表面和高表面能，展现出更强的外延引导效应，导致 MoS₂ 域具有更大的尺寸、更高的覆盖率和更一致的取向。第一性原理计算进一步证实了 c-plane 蓝宝石与 MoS₂ 之间的强耦合特性。此外，基于 c-plane 蓝宝石生长的 MoS₂ 薄膜在电学性能上表现出更高的载流子迁移率和开关比。本研究为实现晶圆级单晶二维半导体薄膜的可控生长提供了重要的理论依据和实验指导。
图1. 生长30分钟时蓝宝石衬底上二硫化钼的表征。(a)分别在a面、m面和c面蓝宝石衬底上以Mo(CO)6和H2S为前驱气体进行二硫化钼外延生长的示意图。(b)-(d)分别为a面、m面和c面蓝宝石衬底上二硫化钼外延生长的扫描电镜图像，白色虚线表示二硫化钼畴区相对于衬底呈0°排列。(e)-(g)分别为a面、m面和c面蓝宝石衬底上二硫化钼外延生长的原子力显微镜图像。(h)-(j)分别对应图1(b)-(d)中二硫化钼畴区相对于蓝宝石衬底取向的统计分布。图2. 生长15分钟时蓝宝石衬底上二硫化钼的表征。(a)-(c)分别为a面、m面和c面蓝宝石衬底上生长15分钟的二硫化钼扫描电镜图像。(d)-(f)分别为a面、m面和c面蓝宝石衬底上二硫化钼的原子力显微镜图像。(g)15分钟至30分钟生长过程中二硫化钼畴在不同晶面蓝宝石衬底上外延生长的示意图。图3. 不同生长时间下二硫化钼的覆盖情况。(a)分别在a面、m面和c面蓝宝石衬底上生长30分钟的二硫化钼扫描电镜图像。(b)分别在a面、m面和c面蓝宝石衬底上生长40分钟的二硫化钼扫描电镜图像。(c)分别在a面、m面和c面蓝宝石衬底上生长50分钟的二硫化钼扫描电镜图像。白色圆圈表示蓝宝石衬底区域，黄色圆圈表示双层二硫化钼畴区。(d)二硫化钼在a面、m面和c面蓝宝石衬底上的生长时间与覆盖率关系曲线。(e)不同晶面蓝宝石衬底上二硫化钼外延生长的覆盖率与生长时间关系示意图。图4. 二硫化钼与不同晶面蓝宝石相互作用的密度泛函理论计算。(a)-(c)分别为二硫化钼/a面、二硫化钼/m面和二硫化钼/c面体系的电荷密度分布，等势面值为±0.0021。(d)-(f)对应二硫化钼/a面、二硫化钼/m面和二硫化钼/c面体系的DFT计算电荷密度值。(g)a面、m面和c面蓝宝石衬底的吸附能。(h)左图：二硫化钼与c面蓝宝石衬底相对取向关系的吸附能函数；右图：c面蓝宝石衬底上二硫化钼晶畴取向分布示意图。图5. 二硫化钼薄膜的透射电镜表征。(a)a面蓝宝石衬底上转移到TEM载网的二硫化钼低倍透射电镜图像。(b)c面蓝宝石衬底上转移到TEM载网的二硫化钼低倍透射电镜图像。(c)c面蓝宝石衬底上二硫化钼晶畴合并形成连续薄膜的低倍透射电镜图像。(d)-(f)分别对应MoS2-1区域、晶畴连接处和MoS2-2区域的选区电子衍射花样，其中红色虚线相对于水平线的夹角分别为86.22°、85.83°和86.27°。插图为单层二硫化钼的高分辨透射电镜图像。图6. 不同晶面蓝宝石衬底上二硫化钼的光谱与电学特性。(a)分别生长在a面、m面和c面蓝宝石衬底上二硫化钼的拉曼光谱测试结果。(b)二硫化钼E1 2g和A1g振动模的峰位与半高宽数据。(c)不同晶面蓝宝石衬底上二硫化钼的光致发光光谱测试。(d)二硫化钼光致发光峰位与半高宽统计。(e)二硫化钼场效应晶体管阵列的光学显微图像，插图为单个器件的扫描电镜照片。(f)器件输出特性曲线。(g)分别采用对数与线性坐标绘制的器件转移特性曲线。(h)场效应晶体管阵列的迁移率与开关比统计分布。https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908407
