南京大学王欣然最新ACS Nano:单晶MoS₂外延生长的蓝宝石晶面筛选,实现多晶面上1英寸MoS₂晶圆生长
【摘要】
制备晶圆级单晶二维过渡金属硫族化合物（TMDs）是推动超越硅基电子器件发展的核心。虽然蓝宝石 C 面一直是外延生长的标准衬底，但蓝宝石丰富的晶面家族中蕴藏着巨大的未开发潜力。由于每个外延界面的势能面极为复杂，如何确定性地选择生长模板仍是一个挑战。2026年4月20日，南京大学王欣然教授、李涛涛副教授，东南大学王金兰教授、马亮教授等人开发了一个理论框架，通过评估 33 个蓝宝石晶面的界面应变和表面能量，识别出了五个外延生长的理想候选面：A(1120)、C(0001)、P(1123)、R(1102) 和 S(1101)。研究确立了一个通用机制：通过降低衬底表面对称性来打破取向简并。这种低对称性环境既可以由晶面的内在结构提供（如 P、R、S 面），也可以通过在对称性较高的表面（如 C、A 面）工程化台阶边缘来人为制造。基于这一原则，成功在所有五个预测晶面上实现了晶圆级单晶 MoS₂ 的外延生长，为二维材料的外延设计从经验探索转向理性预测奠定了基础。
【正文内容】
图1 | 基于界面应变和表面能量筛选蓝宝石晶面。 (a) 33 个不同蓝宝石晶面的 DFT 计算 MoS₂-衬底界面应变能 (Estrain) 和表面能量 (Esurf) 分布图。(b) 低应变 C(0001) 面与高应变 (1128) 面上 MoS₂ 的原子结构模型对比。(c) 所选五个能量最优晶面（A, C, P, R, S）在蓝宝石晶格中的几何取向示意图。图1中，首先通过密度泛函理论（DFT）对蓝宝石的 33 个低指数和高指数面进行了全面普查。筛选准则包括：低 Esurf 以确保高温生长时的热力学稳定性（防止表面重构或纳米化），以及低 Estrain 以保持外延层的结构完整性并避免起皱变形。根据这两个维度的分布，位于坐标系左下角区域的 C、A、P、R、S 面被确定为最佳生长模板。图2 | 定制误切蓝宝石衬底的制备与结构表征。(a) 蓝宝石衬底加工过程示意图（晶棒切割、研磨与抛光）。(b) 蓝宝石晶圆的误切向量及表面台阶示意图。(c) 定制切割蓝宝石晶圆的 XRD ω-扫描峰值位置随方位角的变化曲线；插图展示了晶圆上占主导地位的台阶方向。(d) 对应的 AFM 图像，验证了 c 中所示衬底的台阶形貌和方向。 图2中，为了验证理论预测，通过精确控制切割倾角制备了五类衬底。对于需要对称性破缺的晶面，设计了特殊的误切向量来调节表面台阶的方向和密度。XRD 和 AFM 表征一致证实，经过高温退火后，表面形成了均匀的阶梯状形貌，台阶高度约为 0.40 nm，对应的台阶宽度与基于误切角的理论预期高度契合。图3 | 内在非对称性驱动的单向生长（P、R、S 面）。(a) 蓝宝石 P、R、S 面的俯视原子结构图，展示了其内在晶格非对称性（虚线标注单胞）。(b) DFT 计算的形成能量随 MoS₂/蓝宝石方位角的变化曲线。(c) P、R、S 面上生长的单向排列 MoS₂ 畴的光学显微图像。图3表明，P、R 和 S 面具有较低的内在对称性 (C₁)，其表面原子排列本身就缺乏旋转对称性。DFT 计算显示，MoS₂ 在这些表面上的结合能曲线仅存在一个显著的全局最小值，表明衬底晶格本身就足以确定成核方向。实验结果证实，在这些晶面上生长的 MoS₂ 畴呈现出严格的单向排列，且其外延取向（如 P 面上 MoS₂ 锯齿边缘平行于蓝宝石 <1100>）与理论预测完全吻合。图4 | 台阶工程对称性破缺驱动的单向生长（A、C 面）。(a) 蓝宝石 A 面和 C 面的俯视原子结构图。(b) A 面和 C 面上 MoS₂ 的形成能量随方位角的变化曲线（对比有/无台阶的情况）。(c) 在台阶平行于 MoS₂ 锯齿边缘的 A 面和 C 面上生长的单向 MoS₂ 畴。图4表明，A 面和 C 面具有较高的旋转对称性 (C₂ᵥ 和 C₃ᵥ)，这会导致能量上的取向简并。在无控台阶的表面，MoS₂ 会出现成对的反向畴。研究通过工程化台阶，使台阶边缘平行于 MoS₂ 的锯齿边缘，从而引入能量偏置打破简并。实验表明，只有在足够高的退火温度（如 1200°C）下形成清晰完整的原子台阶，才能彻底消除反向畴，实现高对称晶面上的单向外延。图5 | 蓝宝石多晶面上晶圆级单向单晶 MoS₂ 外延。(a) 所有五种蓝宝石晶面上生长的 1 英寸单晶 MoS₂ 膜照片。(b) 各晶面对应的 RHEED 衍射图样；蓝色和白色虚线分别标注 MoS₂ 的条纹和衬底的衍射点。(c) 沿特定方位角拍摄的截面 HAADF-STEM 图像。(d) 侧视原子示意图，展示 MoS₂ 在五种蓝宝石晶面上的外延关系。图5中，利用上述对称性控制策略，在 1 英寸晶圆规模上实现了全系列单晶 MoS₂ 的外延生长。RHEED 结果仅显示一套锐利的 MoS₂ 衍射条纹，证实了宏观尺度的单向性。HAADF-STEM 在原子尺度验证了清晰、相干的界面，实测的晶格间距（MoS₂ 面间距 0.274 nm 及各衬底面间距）与理论模型完美契合 。此外，该策略也成功推广至单晶 WS₂ 的生长，证明了该理论框架的普适性。【总结与展望】
该研究基于界面应变和表面能量，成功在五个代表性的蓝宝石晶面上实现了晶圆级单晶 MoS₂ 的外延生长。研究统一了这套多元晶面库的生长机制：无论是利用 P、R、S 面固有的晶格非对称性，还是在 A、C 面上通过台阶工程制造人工非对称性，其核心原理都在于构建一个低对称性的表面环境，从而消除取向简并并锁定唯一的能量最优成核方向。RHEED、STEM 及宏观 XRD 的实验结果与理论模型的紧密结合，证实了所得外延膜的热力学稳定性。这一工作不仅建立了一个详尽的蓝宝石外延参考库，也为单晶二维材料的外延设计提供了普适性的策略，为下一代电子学器件的受控外延铺平了道路。文章信息：Screening Crystallographic Planes on Sapphire for Single-Crystal MoS2 Epitaxy. 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. ACS Nano 2026.文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c01064
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