2025年7年9日，南京大學(xué)王欣然教授課題組聯(lián)合蘇州實驗室、東南大學(xué)等單位，在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Materials》發(fā)表題為 “Homoepitaxial growth of large-area Rhombohedral-stacked MoS?” 的研究論文，報道了晶圓級菱方相（3R相）二硫化鉬（MoS?）的同質(zhì)外延生長，并展示了鐵電器件及存儲應(yīng)用。該成果標(biāo)志著二維材料可控制備的重要突破，為二維材料多功能異質(zhì)集成帶來新機(jī)遇。

二維半導(dǎo)體因其原子級厚度、高遷移率及三維集成兼容性，成為后硅時代延續(xù)摩爾定律和構(gòu)建三維集成電路的重要候選材料。王欣然教授課題組長期致力于二維過渡金屬硫族化物（TMDC）可控生長，在面內(nèi)取向控制、層數(shù)控制、及堆垛控制方面取得系列成果：創(chuàng)建TMDC定向外延生長理論，揭示藍(lán)寶石襯底表面原子臺階誘導(dǎo)的TMDC 形核機(jī)制，確立定向外延關(guān)系，在國際上首次突破晶圓級二維半導(dǎo)體單晶外延制備 (Nature Nanotech., 16, 1201 (2021))；提出臺階高度調(diào)控形核層數(shù)的思想，突破TMDC 層數(shù)精確控制技術(shù)，首次制備出大面積均勻雙層MoS?（Nature, 605, 69 (2022))。在本工作中，進(jìn)一步突破二維半導(dǎo)體的堆垛控制，實現(xiàn)3R堆垛MoS?可控制備，為物理特性調(diào)控和器件研究開辟了全新的研究維度。

在二維材料中，所謂“堆垛”指的是原子層之間的排列方式。如果把一層MoS?看作一張紙，堆垛就像一沓紙可以以不同的旋轉(zhuǎn)角度或不同的滑動方式堆疊，不同的堆垛方式使得原子之間的相對位置發(fā)生改變，這在納米尺度上會顯著影響材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)。近年來備受關(guān)注的“魔角”（即層間小角度旋轉(zhuǎn)），被認(rèn)為是一種特殊的人工構(gòu)筑的堆垛形式。在自然界中，MoS?最常見的堆垛有兩種：六方相（2H）和菱方相（3R），后者因為其缺乏中心對稱性，展現(xiàn)出卓越的非線性光學(xué)、谷電子學(xué)以及鐵電特性，特別適合用于構(gòu)建新型存儲器和光電子器件。然而，由于2H與3R結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上幾乎同等穩(wěn)定，在生長中難以嚴(yán)格控制堆垛方式，這是二維材料制備領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。

為攻克這一難題，研究團(tuán)隊使用同質(zhì)外延策略。采用高質(zhì)量單層單晶MoS?作為外延襯底，通過精準(zhǔn)調(diào)控過渡金屬前驅(qū)體濃度，成功實現(xiàn)了具有純3R相的多層MoS?晶圓的制備（圖1）。借助人工智能圖像識別技術(shù)，對堆垛結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動化識別與統(tǒng)計分析，證實3R相占比接近100%。從微觀到宏觀尺度，通過截面和平面掃描透射電子顯微鏡（STEM）、超低頻拉曼光譜和二次諧波產(chǎn)生（SHG）等多手段對制備的多層MoS?進(jìn)行堆垛表征，全面驗證了所制材料的3R相一致性。

圖1 晶圓級菱方相多層MoS?

為深入揭示3R相選擇性形成機(jī)制，研究團(tuán)隊聯(lián)合東南大學(xué)王金蘭教授團(tuán)隊開展理論計算，結(jié)果表明晶體缺陷中的Mo替位S缺陷（Mos）能夠有效打破2H與3R相的能量簡并狀態(tài)，從而在熱力學(xué)層面促使3R堆垛優(yōu)先形核生長。實驗上，團(tuán)隊聚焦形核初期階段，采用高分辨率STEM對<10 nm的團(tuán)簇進(jìn)行觀測，證實Mos缺陷對3R選擇性生長的促進(jìn)作用（圖2）?；诶碚撆c實驗的交叉驗證，團(tuán)隊提出了同質(zhì)外延中的缺陷促進(jìn)選擇性形核的生長機(jī)制，這一理論的提出，為二維材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了全新的思路。

圖2 菱方相MoS?生長機(jī)理

在器件應(yīng)用方面，該工作揭示了3R-MoS?的滑移鐵電性（圖3）。實驗利用壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）清晰觀測到材料中的鐵電疇結(jié)構(gòu)及明顯的壓電響應(yīng)回滯曲線，并構(gòu)建了基于雙層3R-MoS?溝道的超薄鐵電晶體管陣列。器件在轉(zhuǎn)移特性曲線中呈現(xiàn)明顯的逆時針回滯行為，進(jìn)一步印證其非易失鐵電調(diào)控能力。盡管溝道材料厚度僅為1.3 nm，其仍表現(xiàn)出超過十年的數(shù)據(jù)保持能力、優(yōu)異的電導(dǎo)特性以及16位多態(tài)寫入能力，為未來高密度、低功耗、非易失存儲器件的三維異質(zhì)集成提供了可能。

圖3 菱方相MoS?的鐵電性

該研究工作由南京大學(xué)和蘇州實驗室牽頭完成。論文共同第一作者包括電子科學(xué)與工程學(xué)院2019級博士生劉蕾（現(xiàn)任蘇州實驗室博士后）、集成電路學(xué)院李濤濤副教授、東南大學(xué)博士生龔曉曙及電子科學(xué)與工程學(xué)院2021級博士生溫恒迪。王欣然教授為論文通訊作者，東南大學(xué)王金蘭教授在本工作中給予了重要支持與幫助。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項等項目的資助，以及新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎和雅辰基金對本研究的支持。