优秀！他，32岁获「国家杰青」，33岁成为最年轻「长江学者」，唯一通讯发Nature Materials！

成果介绍

层间堆叠是调整二维材料特性的重要自由度，为设计功能器件提供了巨大的机会。作为一个经典的例子，菱形堆积（3R）二维材料表现出铁电性和光学非线性，这在自然丰富的六方堆积（2H）中是不存在的。然而，由于不同多型的热力学竞争，生长堆叠控制的大面积薄膜的能力仍然具有挑战性。

南京大学王欣然教授等人报道了通过同质外延在单晶层MoS2表面以化学气相沉积法生长出的两英寸晶圆级3R-MoS2薄膜，其相纯度极高。作者提出了一种缺陷促进的成核机制，其中Mo替代的S空位被认定为促进3R层叠的可能缺陷之一。作者制造了具有3R-MoS2通道的铁电半导体场效应晶体管，并展示了非易失性存储特性。层间堆叠的控制是实现二维材料大规模生产以实现多功能集成的关键步骤。

相关工作以《Homoepitaxial growth of large-area rhombohedral-stacked MoS2》为题在《Nature Materials》上发表论文。

王欣然，南京大学集成电路学院党委书记、执行院长。2013年获得“国家杰出青年科学基金”，2014年入选长江学者特聘教授，成为全国最年轻的“长江学者”，国家自然科学基金创新研究群体负责人。2010年获得斯坦福大学物理学博士学位，导师：戴宏杰院士。主要研究下一代信息材料、器件与集成电路，尤其是在二维半导体领域取得突出成果，发表论文200余篇，总引用超过31000次。以通讯作者在Nature（2篇）、Nature Nano.（4篇，包括1篇特邀评论）、Nature Electron.、Nature Rev. Phys.、Nature Commun.（6篇）、IEEE IEDM（5篇，包括1篇邀请论文）等期刊和会议发表论文51篇。

图文介绍

图1 晶圆级3R-MoS2

图1a分别展示了经过第一和第二生长步骤后的两英寸晶圆，显示出了良好的晶圆级均匀性。单层MoS2晶圆通过二次谐波产生（SHG）图谱和低能电子衍射（LEED）证明了其单晶特性。图1c展示了多层3R-MoS2薄膜的光学显微镜（OM）图像，其中第一层完整，三角形区域大多为2-5层。值得注意的是，上层无论层数多少都表现出单向排列。通过多层区域的横截面HAADF-STEM成像证实了3R堆叠结构（图1b）。

基于OM图像，利用像素级别的机器学习分类人工智能（AI）模型来自动绘制出层数和晶格取向的分布情况（图1d、e）。对于图1c中所示的特定样品，其由100%单层、98.3%双层、69.8%三层、16.3%四层、3.9%五层或更多层组成（图1f）。通过该AI模型得出的层数数量还得到了拉曼光谱的进一步验证，其中单层的E2g和A1g峰的分离值为19.2 cm-1，而四层的分离值则逐渐增加到24.5 cm-1（图1g）。通过超过4000个分布在整个晶圆上的晶格确定了3R堆叠的相纯度为 99.86%。作者还使用了直径约为1毫米的光电子衍射（LEED）进行测量（图1h）。LEED模式显示出三个衍射点，显示出大面积的非中心对称3R堆叠。

图2 3R-MoS2的光谱表征

接下来，对层间堆叠结构进行了系统的光谱和结构研究。图2a展示了连续单层MoS2的光学显微镜图像，其中存在单向双层区域。相应的光致发光（PL）图像（图2b）通过直接到间接带隙的转变，将暗双层区域与亮单层区域区分开来。AFM图像显示了未加工的二硫化钼薄膜的干净表面（图2c）。SHG提供了一种直接的层叠方式的光谱分析方法。由于3R型MoS2的非中心对称结构，SHG强度与层数的数量呈二次方关系（图2d、e）。相比之下，2H型堆叠的双层结构由于其中心对称结构，显示出微弱的SHG信号。

超低频（ULF）拉曼光谱是另一种用于确定堆叠顺序的探测手段，因为ULF振动模式源自层间相互作用。双层3R-MoS2和2H-MoS2的ULF拉曼光谱如图2f所示。在3R相态中，21.3 cm-1和38.7 cm-1处的峰分别归因于层间剪切模式（S1）和呼吸模式（B1）。在2H相态中，S1模式强度更强，而B1模式向蓝色方向移动至40.7 cm-1，这与更强的层间耦合相符。

图3 3R堆叠MoS2的原子分辨表征

通过HAADF-STEM技术（图3）在原子尺度上进一步揭示了3R堆叠结构。图3a、b展示了原子级清晰的单层/双层和双层/三层界面。图3c-e展示了单层、双层和三层3R-MoS2的实验和模拟HAADF-STEM图像。对于单层MoS2，由交替排列的Mo和S2柱组成的六方环呈现出明显的强度对比（图3c、f）。对于双层MoS2，在摇椅式方向存在一层夹层结构，形成了三种不同的强度，分别对应于S2、Mo和Mo+S2（图3d、f）。对于三层MoS2，第三层的进一步滑动使得所有原子列中都存在Mo+S2，这显示出根据S2和Mo所在的层的不同而存在非常细微的差异（图3e、f）。

图4 3R相MoS2的选择性生长机理

晶格缺陷在调节3R和2H相成核中可能发挥重要作用。为了进一步证实该假设，进行了DFT计算，以确定双层MoS2在常见缺陷位点处的成核能，这些缺陷位点包括硫空位（VS）、双硫空位（VS2）、MoS、钼空位（VMo）（图4a）。对于每种结构，计算了3R和2H层叠的成核能，并将能量差（Ef-3R-Ef-2H）用作选择性的衡量标准。如图4b所示，大多数缺陷的Ef-3R-Ef-2H值接近零，这表明3R和2H之间没有选择性差异。唯一有利于3R而非2H成核的缺陷是MoS反位缺陷。还通过计算各种钝化结构（MoS-O、MoS-O2、MoS-OH、MoS-H和MoS-H2O；图4a）来考虑MoS在周围氧气中的钝化情况。结果表明，钝化显著降低了Ef-3R-Ef-2H值，这解释了对照实验中3R比例的降低。

通过在初始成核阶段对双层结构进行HAADF-STEM测量，进一步获得了缺陷促进成核的证据（图4c、d）。图4c、d展示了一个典型直径约为7纳米的3R双层结构的STEM图像，其中观察到一个单独的明亮原子缺陷。通过实验和模拟的线轮廓分析，将缺陷位置确定为Mo+MoS+S（图4e），这表明缺陷位于第一层的MoS中。对于较大的结构，还在中心附近观察到Mo的替代位点。因此，推测成核过程很可能与这种缺陷类型有关。

图5 R堆叠双层MoS2的铁电性

首先采用压电响应力显微镜（PFM）技术，在室温条件下对双层3R-MoS2薄膜的铁电性进行验证（图5a）。图5b、c分别展示了双层区域的原子力显微镜高度图以及相应的相位图。尽管原子力显微镜显示整个双层区域的高度是均匀的，但相位图却呈现出两种不同的颜色，这表明存在具有不同极化方向的铁电域。铁电极化状态的切换是通过 PFM（压电响应法）中的反场压电响应回路来测量的（图5d）。其振幅和相位分别呈现出典型的蝶形和磁滞回线特征，具有±5 V的矫顽电压和180°的相位偏移。

作为一种铁电半导体通道，3R-MoS2可用于构建具有非易失性存储功能的FeS-FET（铁电半导体场效应晶体管）。为了展示大面积3R-MoS2薄膜的独特优势，使用背栅结构制作了器件阵列（图5e、f）。图5g绘制了FeS-FET 的转移特性。这些器件呈现出逆时针方向的磁滞回线，这是铁电存储器的特征。由于薄膜具有均匀的3R特性，这些器件表现出良好的重现性，其存储窗口分布较窄（2.34±0.46 V；图5h）。相比之下，采用相同工艺制备的单层MoS2场效应晶体管显示出的顺时针滞后现象要小得多，这归因于界面陷阱而非铁电开关效应。

文献信息

Homoepitaxial growth of large-area rhombohedral-stacked MoS2，Nature Materials，2025.

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02274-y