菱形堆叠单晶 WS2/MoS2 垂直异质结构的生长

构建更好的电子三明治

许多未来电子学中最令人激动的构想——超薄手机、柔性太阳能电池和微小量子器件——都依赖于将仅厚几原子的材料片层叠在一起，就像在分子尺度上制作三明治。本文展示了如何可靠地在足够用于实际器件的面积上生长由两层流行半导体 WS2 和 MoS2 构成的“原子三明治”，并赋予它们内在的电极化，这可能推动新型存储与传感技术的发展。

为何原子薄层堆叠如此困难

研究人员喜爱二维材料的垂直堆叠，因为可以通过混合不同层来创造自然界中不存在的性质，例如异常的光发射或可切换的电极化。到目前为止，构建这些堆叠的常规方法既缓慢又混乱：用胶带剥离微小薄片并手工叠放。这种方法适用于实验室，但会带来残留杂质、产生不一致结果，而且只覆盖微米级区域——远不足以用于批量制造芯片。在炉中直接用化学气相沉积生长堆叠层承诺可获得洁净且大面积的薄膜，但存在一道顽固障碍：上层在两种镜像方向之间几乎同等有利，导致出现域状拼凑而非单一、良好对齐的晶体。

将缺陷从问题变为优势

陈等人通过关注底层 MoS2 中的微小不完美——缺失的硫原子——来解决这一问题。借助量子力学模拟，他们表明这些硫空位在 MoS2 表面原子“台阶”的边缘比在平坦区域更容易形成。这些空位暴露出更具反应性的金属原子，充当来袭 WS2 层的停靠位点。关键在于，这种停靠明显偏爱两种可能堆叠方向中的一种。因此，一旦 WS2 岛屿在这样的空位装饰台阶处开始生长，它极有可能在整体上采用同一取向，从而打破先前导致无序的对称性。

引导生长到厘米级单晶

基于这一认识，团队开发了一个多步骤的生长配方。首先，他们通过精心拼接对齐的三角形岛屿，在蓝宝石上生长出大面积单晶 MoS2 片。接着，他们在真空中温和加热这些 MoS2 薄膜，促使台阶边缘附近的硫原子离去，从而产生受控的空位群体。最后，他们引入钨源在其上生长 WS2。在较短的生长时间内，观察到 WS2 岛屿主要在台阶边缘形成，并且都指向同一方向。随着生长时间延长，这些岛屿无缝合并成与下方 MoS2 完美对齐的连续 WS2 薄膜，产出了一块 1 cm × 1 cm 的菱形堆叠 WS2/MoS2 单晶——以原子厚材料的标准而言这是巨大的。他们还展示了当将 MoS2 替换为另一个相关材料 WSe2 时，相同的空位引导策略同样有效，表明该方法具有广泛适用性。

证明晶体质量与隐含的电性秩序

为了确认他们的薄膜确实是具有期望堆叠模式的单晶，研究者们使用了一系列成像和光学手段。基于光的发射和原子振动测量显示 WS2 与 MoS2 在毫米至厘米尺度上均呈现出均匀信号，表明成分一致。原子分辨力显微镜显示相邻的 WS2 岛屿连接时未形成晶界，而先进的电子显微镜则直接给出了菱形堆叠的原子级图像。利用一种对对称性敏感的非线性光学技术，他们映射了整片薄膜并发现处处具有相同的堆叠。更引人注目的是，电学和力学探针揭示了铁电行为——一种可被外加电压切换的内部电极化——源自两层特定的相对错位。由这些堆叠制成的器件表现出更高的电荷迁移率和内建光电响应，意味着它们能在无需外部电源的情况下由光产生电流。

这对未来器件意味着什么

本质上，这项工作将不可避免的缺陷转变为引导晶体生长的精确工具。通过利用台阶边缘的硫空位来决定上层 WS2 的形成位置与方式，作者展示了一套稳健的配方，用以制造大面积、单晶、菱形堆叠的 WS2/MoS2 薄膜，这些薄膜兼具优良的电子质量、可切换的电极化和自供能的光电检测能力。对于非专业读者来说，结论是我们正学会在生长过程中以原子级方式“编程”物质，为基于仅厚几原子的堆叠构建实用的、晶圆级生产的超薄节能电子以及新型存储与传感技术打开了道路。

引用: Chen, J., Guo, Y., Zhang, Y. et al. Growth of rhombohedral-stacked single-crystal WS₂/MoS₂ vertical heterostructures. Nat Commun 17, 2172 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68935-x

关键词: 二维材料, 范德瓦尔斯异质结构, 单晶生长, 铁电器件, 化学气相沉积