二维材料具有原子级的厚度、优异的电子传输及光电特性等新颖物理特性， 是发展高性能电子与光电子器件的理想载体，有望延续传统硅基半导体工业“摩尔定律”， 进一步提升芯片晶体管集成密度。然而，目前制备高质量的二维材料的工艺温度普遍较高（600-1000 ℃），远超过标准半导体 CMOS（互补型金属氧化物半导体）芯片制程工艺的温度限制（700/400 ℃分别对应于前/后道工艺）， 这严重制约了二维材料与硅基集成电路的集成应用。虽然可以通过引入额外机械转移工艺实现二维材料的集成，但通过机械转移方法制备的样品不仅难以控制产物形貌尺寸，耗时低效，并且常在材料界面引入化学杂质，导致材料性能的明显衰退，难以规模化应用。因此，实现高质量二维材料的低温（<400 ℃）直接生长是推进其在半导体领域实际应用的理想解决方案。

近日，我院张礼杰与广东工业大学黄少铭、香港大学李连忠、香港科技大学罗正汤等合作，针对二维材料及异质结与半导体芯片单片集成面临的温度限制难题，设计了一种普适性的范德华衬底协同二维碘化物低温原位替代生长方法，实现了 17 种高质量二维金属硫化物及其异质结的超低温可控生长（≤ 400℃）。结合理论计算，阐明了超低温原位替代生长机理，揭示了硫元素替换碘元素的低取代势垒微观本质，提出了碘化物硫（硒、碲）化的生长机理：替换反应优先发生在缺陷或边缘区域，之后的原子替代能垒大幅下降，发生了类似涟漪效应的连续 S-I 原子替换反应。并且在＜ 400℃下实现了多种二维材料及其异质结的大面积阵列集成，所制备的材料具有高的结晶质量和优异的光电性能。为二维材料与半导体芯片后端制造工艺的温度兼容性问题提供了一种可行性方案，并且为二维材料及其异质结的单片集成提供了一种新思路。该研究成果以“Epitaxial substitution of metal iodides for low-temperature growth of two-dimensional metal chalcogenides”为题目发表在在材料领域国际顶级学术期刊《Nature Nanotechnology》，温州大学为共同通讯单位，我院张礼杰、香港大学Lain-Jong Li、香港科技大学罗正汤、广东工业大学黄少铭为共同通讯作者，我院教师赵梅为共同第一作者。

图1：范德华衬底协同二维碘化物低温原位替代生长二维金属硫化物及光电性能。

论文链接：

//doi.org/10.1038/s41565-023-01326-1