大面積半導(dǎo)體薄膜的生長為柔性電子器件的生產(chǎn)開辟了一條新路，材料科學(xué)家們已經(jīng)找出一種方法，可以在直徑10厘米的硅片上生長出高質(zhì)量的單層二維半導(dǎo)體，同時還能保持小樣品中所具有的出色電學(xué)性質(zhì)。

一種叫做二硫化鉬的二維新材料可以在硅襯底上長出單層薄膜，為柔性電子器件的生產(chǎn)開辟了條新路。

用僅有幾個原子那么厚的薄膜做出微型、柔性的電路，一直是研究人員的夢想。然而，把這類二維薄膜生長到需要的規(guī)模，并生產(chǎn)出成批可靠的電子設(shè)備一直是個難題。

現(xiàn)在，材料科學(xué)家們已經(jīng)找出一種方法，可以在直徑10厘米的硅片上生長出高質(zhì)量的單層二維半導(dǎo)體，同時還能保持小樣品中所具有的出色電學(xué)性質(zhì)。他們已經(jīng)用這種薄膜做出了幾百個晶體管，經(jīng)測試其中99%都有效。

“許多人都在努力長出這么大尺寸的單層材料，我也是其中之一，”都柏林圣三一學(xué)院的材料科學(xué)家Georg Duesberg說，“但他們好像真的做到了。”

科學(xué)家們正在試圖生長的半導(dǎo)體材料是過渡金屬二硫族化物(transition-metal dichalcogenides，簡稱TMD)。單層TMD有三層原子厚：包含一層過渡金屬(如鉬或鎢)原子，夾在上下兩層硫族元素(如硫、硒和碲)原子中間。

和它的碳基“表親”石墨烯一樣，TMD強度大、超薄、柔韌性好，并且能導(dǎo)電。然而與石墨烯不同的是，它們也是半導(dǎo)體——這意味著我們可以輕易地開關(guān)調(diào)節(jié)它們的導(dǎo)電性。TMD暫時還不能代替最著名的半導(dǎo)體——硅，畢竟硅的制造工藝已經(jīng)經(jīng)過數(shù)十年的打磨，變得十分成熟了。然而，它們可以形成厚度僅相當(dāng)于如今硅片的千分之一的薄膜，這在柔性晶體管、顯示器和光探測器上有著廣闊的應(yīng)用前景。

更大的薄層

TMD的薄層可以從多層晶體中剝離出來，就像石墨烯可以用膠帶從石墨中粘出來一樣。然而剝離的過程十分耗時耗力，得出的樣品也大小厚薄不一。另外一種方法則悄悄興起：把含有目標原子的氣體通到襯底上方，將目標原子一個個沉積下來，生長出想要的材料。但此前為止，這種方法也只能生長出小面積的樣品，而且往往還不止一層。

來自康奈爾大學(xué)的Jiwoong Park及其同事于4月29日在Nature發(fā)表文章，稱他們已經(jīng)用這種方法生長出大片單層的TMD。經(jīng)過550 °C高溫條件下超過26小時的實驗，他們在直徑10厘米的圓形硅晶片上生長出了兩種TMD：二硫化鉬和二硫化鎢，還能以二氧化硅薄層相隔的多層TMD材料，這可能會促進垂直結(jié)構(gòu)小型、高密度三維電路的產(chǎn)生。

哈佛大學(xué)的凝聚態(tài)實驗物理學(xué)家Philip Kim說，能生長出只有三層原子厚度、長度超過厚度1億倍的單層半導(dǎo)體材料，是“工程學(xué)上的奇跡”。

Park表示，這類單層材料不僅很均勻，而且其電學(xué)性質(zhì)堪比從晶體剝離下來的薄層。而達成這一效果的秘訣，就是使用每個分子只含有一個過渡金屬原子或一個硫族元素原子的氣體，通過改變氣體的壓強，就可以控制每種成分的濃度，從而精細地調(diào)控薄膜的生長。

美國萊斯大學(xué)的材料科學(xué)家Pulickel Ajayan認為，這一技術(shù)是一項激動人心的飛躍，但要想制造出真正代表二維材料未來的商業(yè)器件，研究人員還需開發(fā)出在其他襯底、包括柔性襯底上生長薄膜的方法。

Duesberg則認為，生長大面積薄膜這一工作最重要的意義是它讓研究者們意識到TMD在電子學(xué)上將有更實際的應(yīng)用。TMD的優(yōu)良之處不僅僅在于它們既薄又柔韌，也在于他們有著另外一些獨特的性質(zhì)，可能會在自旋電子學(xué)、谷電子學(xué)等方面有著其他的實驗應(yīng)用。

“許多人都相信TMD單層材料會給電子學(xué)帶來一場革命，但直到現(xiàn)在人們還只停留在制造單個器件、觀察奇特現(xiàn)象的階段。”Duesberg說。