南京大学&东南大学ACS Nano:蓝宝石上用于单晶MoS2外延的晶面筛选

成果介绍

晶圆级单晶二维过渡金属硫族化合物（TMDs）的外延生长对于推动后硅基电子学的发展至关重要。尽管蓝宝石的c面一直是外延生长的标准衬底，但充分利用丰富的晶面种类有助于理解控制范德华外延的普适机制。由于每个外延界面处复杂的势能面，蓝宝石众多具有不同表面对称性和原子构型的晶面至今仍未得到充分探索。

在此，南京大学王欣然教授、李涛涛副教授，东南大学王金兰教授、马亮教授（共同通讯作者）发展了一个理论框架，用于探索蓝宝石上众多晶面以实现可控的MoS₂外延。通过评估33个晶面处的界面应变和表面能作为关键描述符，研究者筛选出五个最优候选晶面，即A(112̅0)、C(0001)、P(112̅3)、R(11̆02) 和 S(11̆01)。研究确定，单向排列由衬底表面对称性的降低所决定，这种降低可以通过晶面本身的低对称性（P、R、S）实现，也可以通过高对称性晶面（C、A）上的工程化台阶边缘实现。这一普适原理使得在所有五个预测晶面上均能成功生长出晶圆级单晶MoS₂。

图文导读

图1. 基于界面应变和表面能的蓝宝石晶面筛选。（a）DFT计算得到的33个不同蓝宝石晶面上MoS₂-衬底界面应变能（E_strain）和表面能（E_surf）。（b）低应变C(0001)面与高应变(112̅8)面上MoS₂的原子结构模型对比。（c）所选五个能量有利晶面（A、C、P、R和S）的晶体取向示意图。

图2. 定制偏切蓝宝石衬底的制备与结构表征。（a）蓝宝石衬底制备流程示意图。（b）偏切及蓝宝石晶圆台阶的示意图。（c）定制切割蓝宝石晶圆的ω-φ XRD图谱中的峰位。插图示出了晶圆上对应的主要台阶方向。（d）对应的AFM图像，验证了图c中所示衬底的台阶形貌与取向。比例尺：100 nm。

图3. 由衬底内在不对称性（P、R和S面）驱动的单向生长机制。（a）蓝宝石P、R和S面的顶视图原子结构示意图，展示了其晶格本征不对称性。虚线标出了单胞。（b）DFT计算得到的MoS₂/蓝宝石形成能随取向角的变化关系。（c）在P、R和S面上生长的MoS₂晶域的光学显微镜图像。比例尺：10 μm。

图4. 高对称性衬底（A面和C面）上通过台阶工程实现对称性破缺驱动的单向生长机制。（a）蓝宝石A面和C面的顶视图原子结构示意图。虚线标出了单胞。（b）DFT计算得到的A面和C面上MoS₂/蓝宝石形成能随取向角的变化关系。（c）在台阶方向平行于MoS₂锯齿形边缘的A面和C面上生长的MoS₂晶域的光学显微镜图像。比例尺：10 μm。

图5. 在不同蓝宝石晶面上实现晶圆级单晶MoS₂外延。（a）在全部五种蓝宝石晶面上生长的1英寸晶圆级单晶MoS₂薄膜的照片。（b）沿蓝宝石<101̅0>方向（针对A、C、P面）及沿<112̅0>方向（针对R、S面）获取的RHEED图案。蓝色和白色虚线分别标示MoS₂的衍射条纹和蓝宝石的衍射斑点。（c）沿（b）中定义的相应方位观察的截面HAADF-STEM图像。比例尺：1 nm。（d）侧视图原子结构示意图，展示了MoS₂在蓝宝石A、C、P、R、S面上的外延关系。

结论与展望

总之，该研究基于界面应变和表面能的筛选，成功在五种具有代表性的蓝宝石晶面上实现了晶圆级单晶MoS₂的生长。关键在于，该工作统一了这些不同晶面上的生长机制：无论是利用P、R、S面本征的晶格不对称性，还是在A、C面上通过工程化台阶引入不对称性，其基本原理都是构建一个低对称性的表面环境。这种不对称性打破了取向简并，从而决定了单一能量上优先的成核取向。RHEED/STEM实验测量结果与理论模型的高度一致进一步证实，所获得的外延取向对应于这些热力学上最稳定的构型。因此，这项工作不仅建立了一个全面的蓝宝石晶面库，还为衬底设计提供了一种普适策略，为下一代电子学中各类二维材料体系的可控外延生长铺平了道路。

文献信息

Xilu Zou, Lei Liu, Ruikang Dong, Si Gao, Wenjie Sun, Xiaotian Zhang, Yuefeng Nie, Yi Shi, Liang Ma, Jinlan Wang, Taotao Li, and Xinran Wang，“Screening Crystallographic Planes on Sapphire for Single-Crystal MoS₂ Epitaxy” ACS Nano Article ASAP

文献链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c01064

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