二维（2D）材料家族近年来显著扩展，包括近2000种理论预测和数百种实验室可接近的物种。这一演变得益于材料制备技术的进步，尤其是机械剥离和溶液基剥离等方法的发展。机械剥离从体块晶体中分离出高质量的石墨烯，虽然在探索和分离方面开创性，但在大规模生产上仍面临挑战。相反，溶液基剥离方法虽能扩展2D材料的生产规模，却可能引入缺陷、杂质和化学修饰，限制了其应用。
为此，外延生长技术以其能在各种基底上组装原子或分子成二维材料的特点脱颖而出，无需晶格匹配要求，且能精确控制成分和晶质，展示了制造大面积高质量单晶薄膜的潜力。二维材料外延的历史可以追溯到上世纪60年代，当时John May在高温金属基底上的烃类中发现了低能电子衍射图案，并归因为‘单层石墨’的概念。然而，这些探索最初局限于表面物理学领域，并未引起广泛关注。直至2004年石墨烯的发现和分离，外延生长领域经历了转变，激发了一系列探索和突破，推动了单晶薄膜的工业化生产。
鉴于此，北京大学刘开辉团队在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures”的最新综述文章。本研究中提及，外延生长技术已经实现了包括石墨烯、六角硼氮化物（hBN）和过渡金属二硫化物（TMDCs）在内的典型2D材料的大规模单晶生长。这些成就不仅局限于平面单晶单层的控制，还扩展到了垂直同质结构的制备，包括具有控制堆叠和扭转角度的人工多层系统。
未来的研究前景涵盖了更多新兴二维材料的外延生长，如单元素物种、非过渡金属硫化物、二维硼化物、碳化物、氮化物、氧化物和卤化物等。尽管每个阶段都面临独特的挑战，但寻求普遍的外延原则将是实现这些材料应用的关键。
值得一提的是，2024年5月，刘开辉教授率领其团队发表Nature，仅过一个月再发两篇Science，紧接着一月之后，刘开辉教授与中国人民大学刘灿副教授等人合作再发Science，这些成果都引起了学术界不小的关注。如今，他的成果再次登顶Nature大子刊。
（1）随着二维材料家族的扩展，替代的溶液基剥离方法提供了可伸缩性的生产途径，但可能导致材料中的缺陷、杂质及化学修饰。相比之下，外延生长技术通过在各种基底上精确组装原子或分子成二维材料，无需晶格匹配，展示了制造大面积高质量单晶薄膜的潜力。
（2）二维材料外延的历史可以追溯到20世纪60年代，当时John May在高温金属基底上的烃类中发现了未指定的低能电子衍射图案，这被归因为‘单层石墨’的生长。这一早期探索奠定了后来vdW外延技术的基础，尽管最初局限于表面物理学领域。
（3）在过去的两个十年中，随着石墨烯的发现和分离，二维材料外延经历了多次技术突破，包括六角硼氮化物（hBN）和过渡金属二硫化物（TMDCs）的实现。这些进展不仅推动了单晶薄膜的工业化生产，还促进了垂直同质结构如扭转电子学和moire光子学的发展。
图1：二维2D 范德华 van der Waals，vDW材料及其同质结构外延生长的代表性进展。
本文的科学在于探索二维范德瓦尔斯（vdW）材料外延生长的多方面技术路线和应用潜力。通过研究二维材料的外延生长，我们不仅突破了传统材料制备的限制，还展现了在平面单晶单层和垂直多层结构方面的精确控制能力。这种技术的进步不仅为材料科学和纳米技术领域提供了新的材料平台，还为下一代电子器件和功能性材料的设计与开发提供了新的思路和可能性。
此外，对缺陷、晶质度、掺杂水平和结构相的定量表征方法的发展，以及建立自包含和标准化的加工流程，将有助于提高二维材料的质量和可靠性，推动其向半导体行业应用的进程。二维材料的功能化和定制化，特别是其在微纳电机系统等超越摩尔应用中的潜力，将为未来科技创新带来重要的影响。通过建立系统化的材料数据库和利用机器学习，我们能够更有效地理解和设计二维材料的性能和应用，为材料科学和工程领域的进一步发展提供重要的科学意义。
Liu, C., Liu, T., Zhang, Z. et al. Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01704-3
原创文章，作者：计算搬砖工程师，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/07/15/b42801bd99/
