我校物理与电信工程学院、广东省量子调控工程与材料重点实验室青年拔尖人才徐小志研究员与北京大学刘开辉教授、韩国蔚山科学技术学院丁峰教授、复旦大学吴施伟教授、北京理工大学赵芸副教授等合作提出了一种新的双耦合调控机制，在蓝宝石上实现了2英寸单层单晶二硫化钨（WS2）的制备。这一重要进展为工业化制备单晶二维过渡金属硫族化合物（TMDs）提供了技术基础，极大地促进了其在电子器件中的应用。相关研究成果以“双耦合诱导下晶圆级单层单晶WS2在a面蓝宝石上的外延生长（Dual-coupling-guided epitaxial growth of wafer-scale single-crystal WS2 monolayer on vicinal a-plane sapphire）”为题，于2021年11月16日在线发表于《自然·纳米科技》（Nature Nanotechnology）。文章链接: https://www.nature.com/articles/s41565-021-01004-0。
作为最典型的二维半导体材料，TMDs的晶圆级单晶薄膜制备是组成全二维材料电子器件的最后一个基本单元，理想情况下的TMDs应该是直接在绝缘衬底上生长，这样可以减少转移带来的影响。因此在过去十年里单晶TMDs在绝缘衬底上的制备一直是该领域的研究热点。然而，尽管近十年来在其取向控制方面取得了一些进展，但是晶圆级单晶TMDs在绝缘衬底上的直接生长依然未能实现。由于TMDs材料的非中心对称性，大多数高对称面上会出现正反晶畴同时生长，从而形成栾晶晶界。因此，需要开发新的方法来实现其晶畴的单向排列。
研究组采用a面单晶蓝宝石作为衬底，通过定制获得沿某个方向切割角度小于0.1°的a面蓝宝石。在该衬底上实现了2英寸单晶单层WS2薄膜的生长。通过一系列的表征及理论计算发现，该材料的外延生长是由面内范德瓦尔斯相互作用和台阶的双重调控机制控制。即首先WS2和蓝宝石范德华相互作用将WS2晶体的优势取向限制为2个，之后WS2和蓝宝石台阶边缘的相互作用打破了这两个方向的能量对称性，从而使几乎所有的WS2晶畴只有一个方向。大量的表征证明了生长的WS2晶畴是单向对齐的，并且通过无缝拼接形成单晶WS2薄膜。其荧光选择性达到了55%，可与机械剥离的样品媲美。
同时，这种双耦合调控生长机制也适用于其他单晶TMDs在绝缘衬底上的生长，研究组在a面蓝宝石上同时实现了单晶MoS2、WSe2和MoSe2的外延生长。该项技术的突破为高质量单晶TMDs的批量化制备提供了技术基础，为下一代集成光学和电子器件的高端应用提供了材料基础。
我校徐小志研究员为论文共同第一作者，我校为第三署名单位。徐小志研究员是我校2019年引进青年拔尖人才，主要从事低维材料与表面物理研究。以通讯作者/第一作者发表文章包括Nature（2篇）、 Nature Nanotechnology（2篇）、 Nature Chemistry、Advanced Materials、Science Bulletin等，曾获得“广东省杰出青年基金”“广东省重点研发计划”、“中国十大新锐科技人物”等资助或奖励。该研究得到了广东省杰出青年基金、广东省重点领域研发计划、物理一流学科等经费的支持。