on style="white-space: normal; line-height: normal; margin-left: 8px; margin-right: 8px;">第一作者：张智宏，杨晓楠论文DOI：10.1002/advs.202105201近日，Advanced Science期刊在线发表了北京科技大学王荣明教授团队在单晶二维材料外延生长领域的最新综述文章，该论文系统讨论并总结了三种代表性二维材料（包括石墨烯、六方氮化硼以及过渡金属硫族化合物）在不同衬底上的四种外延生长模式，论文共同第一作者为北京科技大学特聘副教授张智宏及硕士研究生杨晓楠，通讯作者为北京科技大学王荣明教授。随着技术的不断升级，基于传统硅材料的芯片性能已经达到物理极限，而二维材料由于其特殊的晶体结构及独特的物理特性，被公认为是最有可能取代硅并构建新一代高性能光电器件的材料之一。而实现二维材料芯片的前提条件是高质量二维单晶的规模化制备。目前，利用外延生长的方法，几种常见二维材料已经实现晶圆级甚至米级单晶的制备。但是对于二维材料外延生长的机理仍缺少全面而深刻的探讨。在本文中，我们聚焦于半金属石墨烯、半导体过渡金属硫族化合物和绝缘体六方氮化硼的外延生长，分析、总结出二维材料在不同衬底上的外延生长模式，并对不同外延生长模式的特点进行讨论与归纳，最后对二维单晶制备未来的发展进行了展望。(1) 基于已有研究进展，以二维材料与衬底之间的相互作用为依据，系统地讨论并总结出二维材料在不同衬底上的外延生长模式。(2) 重点讨论了不同外延模式下二维材料形核生长特点以及二维材料与衬底的外延关系。外延生长是指在单晶衬底上生长与衬底具有特定晶格取向关系的薄层晶体（即外延层）的生长方式。在传统半导体工艺中，外延生长是制备单晶薄膜的重要方法之一。随着二维材料的兴起，研究者发现在合适的单晶衬底上同样可以实现二维材料的外延生长。由于二维材料无表面悬挂键的特点，二维材料的外延生长与传统体材料存在很大的差异。决定二维材料外延生长行为的关键因素是二维材料与衬底的相互作用。我们以此为依据，系统地讨论并总结了不同衬底上二维材料的外延生长模式，包括范德华（van der Waal epitaxy）、边缘外延（edge epitaxy）、台阶诱导外延（step-guided epitaxy）以及面内外延（in-plane epitaxy）（图1）。要点1：在范德华外延中，二维材料与衬底的相互作用为范德华相互作用（衬底表面无悬挂键）或准范德华相互作用（惰性衬底表面有悬挂键）；二维材料与衬底结合较弱，二维材料具有“旋转-取向”的外延生长行为：形核具有随机取向，通过旋转减小体系能量而达到取向一致。在多数情况下，二维材料生长最慢的边（通常为zigzag边）与衬底高对称方向平行时体系能量最低。要点2：边缘外延通常发生在金属衬底上。由于金属衬底具有较高的化学活性，表面原子能够与二维材料边缘悬挂键发生较强的相互作用甚至形成化学键；因此，在边缘外延中，二维材料在形核初期就具有确定的取向。边缘外延中，二维材料与衬底的外延关系同范德华外延相同。要点3：高指数晶面（或近邻面）衬底表面具有平行排列的原子级台阶结构，二维材料易于在台阶边缘形核，并与台阶边缘原子发生强相互作用并形成化学键；因此，在台阶诱导外延中，二维材料在形核初期就具有确定的取向。台阶边缘与二维材料边缘原子晶格匹配是外延生长的前提之一，台阶方向与二维材料边缘构型共同决定二维材料取向。要点4：面内外延是指一种二维材料在另一种具有相同晶格结构二维材料的边缘外延生长，两种材料在界面处形成共价键，具有相同的晶格取向，所形成的结构也称为面内异质结。面内外延同传统外延类似，对外延体系的晶格匹配有严格要求。二维材料与衬底的相互作用决定了外延生长模式及外延生长行为；同时，相互作用的强弱决定了外延生长的难易程度，我们从能量角度出发进行了系统的讨论（图2）。图2. 不同外延生长模式下二维材料与衬底的结合能（左）以及二维材料平行、反平行晶畴与衬底结合能差（右）要点1：由于相互作用较弱，衬底对二维材料生长的影响较小，范德华外延生长条件控制要求较高，同时具有三次对称性的二维材料（如六方氮化硼和硫族金属化合物）无法实现单一取向晶畴生长，通常都存在反平行晶畴。要点2：相比于范德华外延，由于二维材料边缘与衬底的相互作用较强，边缘外延更容易实现。但是同范德华外延相似，具有三次对称性的二维材料无法实现单一取向晶畴生长（平行、反平行晶畴与衬底结合能差异较小）。要点3：在台阶诱导外延中，二维材料与衬底的结合能与边缘外延接近，但是台阶的存在能够打破二维材料平行、反平行晶畴与衬底结合能的简并，故而能够实现单一取向晶畴生长。要点4：在面内外延中，两种二维材料通过共价键结合，晶格失配越小，外延生长越容易实现。(1) 关注二维材料与衬底的相互作用，讨论并总结四种不同的二维材料外延生长模式；并从能量角度出发，系统梳理不同外延模式下制备二维单晶的难易程度，希望能够为未来二维单晶的规模化制备提供理论依据。(2) 二维材料制备未来发展方向是叠层单晶材料的制备，但目前在层数、转角控制等方面仍然存在很多挑战，解决问题的关键之一是充分理解二维材料的形核过程，而具有高时空分辨的原位生长及表征技术将成为探索二维材料形核过程物理模型的有效手段。王荣明，国家百千万人才工程入选者，被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴，爱思唯尔中国高被引科学家。长期从事先进物质的界面精细结构设计、调控、表征和物理性质研究，在包括Nat. Catal.、Sci. Adv.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.等发表SCI论文超过250篇，SCI引用超过10,000次，H因子56，曾获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖、中国材料研究学会科学技术奖一等奖等。
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