单晶二维半导体的新合成技术，引领下一代设备革新

## 新型合成技术：单晶二维半导体的未来

近年来，二维半导体材料因其独特的物理特性而成为下一代电子器件的热门研究对象。尤其是过渡金属二硫化物（TMDs）类材料，如MoS2、MoSe2、WS2和WSe2，它们在场效应晶体管（FETs）和存储器件中展现出巨大的潜力。最新的研究成果表明，新型合成技术的出现可能会推动单晶二维半导体的发展，从而催生下一代电子设备。

1. 假外延生长（Hypotaxy）技术

最近的一项研究首次提出了假外延生长（hypotaxy）方法，这种方法通过在金属薄膜上转移单层石墨烯，并在高温下进行硫化或硒化反应，成功实现了在不同基底上生长大面积单晶TMDs[1]。这种方法不仅能够精确控制MoS2的厚度，从单层到数百层，而且能够在非晶基底和晶格不匹配的基底上进行生长。所得到的单晶MoS2材料表现出高热导率（约120 W m−1 K−1）和高迁移率（约87 cm2 V−1 s−1），这些特性对于高性能电子器件至关重要。

假外延生长的优势

– 基底兼容性：假外延生长方法克服了传统外延法在基底选择上的局限性，能够在多种基底上生长单晶TMDs。
– 厚度可控性：能够精确控制MoS2的厚度，从单层到数百层。
– 高性能：所得到的单晶MoS2材料表现出优异的热学和电学性能。

2. 低功耗二维环栅晶体管（2D GAAFET）

另一项研究在国际上首次实现了高迁移率二维半导体/全环绕高κ氧化物外延异质结的精准合成与单片三维集成，并面向亚3纳米节点研制了低功耗、高性能二维环栅晶体管及逻辑单元[2]。这种工作突破了阻碍二维电子学发展的关键科学瓶颈，首次验证了二维环栅器件的性能和能耗上优于先进硅基技术。

2D GAAFET的优势

– 低功耗：相比传统硅基技术，2D GAAFET具有更低的功耗。
– 高性能：实现了更短的栅长、出色的栅控和高驱动电流。
– 三维集成：能够实现单片三维集成，提高芯片集成度和算力。

3. 二维聚合富勒烯的电化学合成

上海交通大学杨胜团队开发了一种基于层状富勒烯超晶格的氢辅助电化学剥离策略，以实现二维聚合C60的快速、批量合成[3]。剥离得到的二维聚合C60具有完整的晶体结构，平均横向尺寸高达52.5µm2，单层率大于30%。这种材料在制造轻质柔性电子设备中具有巨大的潜力。

二维聚合富勒烯的优势

– 高效合成：实现了快速、批量的二维聚合C60合成。
– 晶体结构：具有完整的晶体结构和较高的单层率。
– 应用潜力：适合用于制造轻质柔性电子设备。

4. 量子技术与二维材料的结合

二维材料在量子技术中的应用也展现出巨大的潜力。研究表明，某些二维材料能够在三维结构中保持其量子特性，从而为量子计算和光电子学提供了新的思路[5]。例如，铬硫化溴（CrSBr）作为一种新型的磁性半导体，能够有效地限制激子在同一层内的运动，确保了激子的稳定性。

量子技术的优势

– 量子特性：二维材料能够在三维结构中保持其量子特性。
– 激子稳定性：能够有效地限制激子在同一层内的运动。
– 应用前景：为量子计算和光电子学提供了新的思路。

结论

新型合成技术的出现为单晶二维半导体的发展提供了新的机遇。通过假外延生长、低功耗2D GAAFET、电化学合成二维聚合富勒烯以及量子技术与二维材料的结合，未来电子器件的性能和能效将得到显著提升。这些技术不仅能够克服传统硅基技术的局限性，还为下一代电子设备的发展提供了全新的思路。然而，如何将这些先进材料在实际应用中进行集成和稳定化仍然是未来研究的重要方向之一。