本工作室建立了微信群促进同学们之间的交流学习并有效讨论问题，可通过添加编辑微信进群。1.编辑微信：1）FEtunan（微信号）2）186006489282.工作室提供：二维材料生长及器件制作8；科研绘图技巧；二维相关报告或会议推送；二维读博导师推荐、课题组招聘需求等欢迎大家投递中文的工作宣传稿及广告，具体联系微信：FEtunan（微信号）南京大学王欣然教授、李涛涛副教授等人发表题为 Screening Crystallographic Planes on Sapphire for Single-CrystalMoS2 Epitaxy”于ACS Nano上
随着硅基电子器件的不断小型化，其逐渐接近物理极限，二维过渡金属二硫化物（TMDs），特别是二硫化钼（MoS₂），因其原子级的厚度、固有的半导体带隙和出色的静电控制能力，被视为下一代电子器件的有力候选材料。为了实现这些材料在集成电路中的实际应用，合成高质量、大面积、单晶的TMD薄膜至关重要。尽管在c面（0001）蓝宝石上外延生长单晶MoS₂已取得显著进展，但蓝宝石丰富的晶面资源尚未得到充分探索，这些不同晶面可能提供更优越的外延关系或新的对称性破缺机制。
本研究提出了一种系统的筛选策略，结合对称性引导的基底设计原则，通过评估33个不同蓝宝石晶面的界面应变能和表面能，筛选出五个最优候选晶面：A(1120)、C(0001)、P(1123)、R(1102)和S(1101)。研究通过密度泛函理论（DFT）计算，确定了这些晶面的低表面能和低界面应变能，这是实现高质量外延生长的关键条件。为了验证理论预测，研究团队制备了这些晶面的基底，并通过化学气相沉积（CVD）技术在其上生长了MoS₂薄膜。
图1展示了DFT计算得到的33个不同蓝宝石晶面的界面应变能（E_strain）和表面能（E_surf）的分布图。图中清晰地显示了各个晶面在E_strain和E_surf空间中的位置，其中位于左下角的晶面具有较低的表面能和界面应变能，是外延生长的理想候选。研究团队从中筛选出了五个最优晶面：A(1120)、C(0001)、P(1123)、R(1102)和S(1101)。这些晶面的选择基于它们同时满足低表面能和低界面应变能的要求，为后续的外延生长实验提供了理论基础。通过对比不同晶面的能量分布，研究揭示了表面能和界面应变能在决定外延生长质量中的关键作用，为未来二维材料的外延生长提供了重要的筛选标准。
图2详细描述了定制切割蓝宝石基底的制备过程及其结构表征。为了获得所需的晶面，研究团队通过精确控制切割角度，从蓝宝石晶锭上切出特定取向的晶片，并进行单面抛光。特别是对于需要对称性破缺的高对称性晶面（如A和C平面），设计了特殊的倾斜矢量以定制表面台阶。图2中的原子力显微镜（AFM）图像验证了这些基底的表面台阶形态和方向，显示了均匀的台阶高度和方向性，这对于后续的外延生长至关重要。通过X射线衍射（XRD）的ω-φ扫描，研究团队精确量化了基底的倾斜角度，确保了实验条件的精确控制。这一过程不仅展示了制备定制切割蓝宝石基底的复杂性，也强调了精确控制表面结构对于实现高质量外延生长的重要性。
图3探讨了P、R和S平面因其固有结构不对称性而驱动的单向生长机制。这些平面的表面原子排列缺乏旋转对称性，导致MoS₂在这些表面上的结合能分布具有单一的全局最小值，从而在热力学上偏好于特定的核化方向。DFT计算结果显示，MoS₂在这些表面上的形成能随其与基底相对取向的变化而变化，存在一个明确的最小值，表明存在一个优选的核化方向。实验观察到的MoS₂畴在P、R和S平面上的单向排列，与理论预测高度一致，验证了固有不对称性在驱动单向生长中的作用。此外，二次谐波生成（SHG）映射显示，在这些平面上生长的连续MoS₂单层薄膜具有均匀的信号强度，表明没有晶界存在，进一步确认了单晶性质。这一发现不仅揭示了表面对称性在决定外延生长方向中的关键作用，也为未来设计具有特定取向的高质量二维材料提供了新思路。
与P、R和S平面不同，A和C平面具有较高的旋转对称性，这增加了控制畴方向性的挑战。图4展示了通过工程化表面台阶来打破这种对称性，从而实现单向生长的策略。对于A平面，设计了具有特定倾斜角度的基底，以产生沿<1100>方向的原子台阶。DFT计算表明，当MoS₂的zigzag边缘与这些台阶平行时，其形成能最低，从而驱动单向核化。实验结果显示，在具有理想台阶的A平面上生长的MoS₂畴严格单向排列，且SHG映射确认了其单晶性质。类似地，对于C平面，先前的研究已表明，沿<1100>方向的台阶能有效驱动单向生长。图4中的AFM图像和光学显微镜图像共同验证了工程化台阶在实现高质量外延生长中的关键作用。这一策略不仅解决了高对称性基底上控制畴方向性的难题，也为未来在更广泛基底上实现高质量外延生长提供了可行方案。
图5展示了在所有五个预测平面上实现晶圆级单晶MoS₂外延生长的成功案例。通过精确控制生长条件，研究团队在1英寸的晶圆上合成了连续、均匀的MoS₂单层薄膜。反射高能电子衍射（RHEED）图案显示了清晰的衍射条纹，对应于MoS₂的(1100)晶面，确认了单晶性质。交叉截面高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像提供了原子级分辨率下的界面结构信息，显示了MoS₂与基底之间清晰、连贯的界面。这些图像不仅验证了理论预测的外延关系，还展示了实际界面与理想模型的细微差异，如可能的表面钝化层或动态缓冲层。尽管这些过程依赖的界面层在动力学上起着重要作用，但研究强调，热力学描述符为外延对齐提供了基础结构框架，两者共同作用实现了单晶生长。这一成果不仅展示了在多样化蓝宝石平面上实现晶圆级单晶MoS₂外延生长的可行性，也为未来大规模制造高质量二维材料提供了宝贵经验。
https://doi.org/10.1021/acsnano.6c01064
