?2025年7月9日，南京大學王欣然教授課題組在Nature Materials期刊在線發表題為“Homoepitaxial growth of large-area rhombohedral-stacked MoS?”研究論文。該成果報道了晶圓級菱方相（3R相）二硫化鉬（MoS?）的同質外延生長，并展示了鐵電器件及存儲應用。該成果標志著二維材料可控制備的重要新進展，為二維材料多功能異質集成帶來新機遇。論文通訊作者是王欣然教授, 共同第一作者是劉蕾博士、李濤濤副教授、龔曉曙博士、溫恒迪博士。

二維半導體因其原子級厚度、高遷移率及三維集成兼容性，成為后硅時代延續摩爾定律和構建三維集成電路的重要候選材料。王欣然教授課題組長期致力于二維過渡金屬硫族化物（TMDC）可控生長，在面內取向控制、層數控制、及堆垛控制方面取得系列成果：創建TMDC定向外延生長理論，揭示藍寶石襯底表面原子臺階誘導的TMDC形核機制，確立定向外延關系，在國際上首次突破晶圓級二維半導體單晶外延制備（Nature Nanotech., 16, 1201 (2021)）；提出臺階高度調控形核層數的思想，突破TMDC層數精確控制技術，首次制備出大面積均勻雙層MoS2（Nature, 605, 69 (2022)）。在該工作中，進一步突破二維半導體的堆垛控制，實現3R堆垛MoS2可控制備，為物理特性調控和器件研究開辟了全新的研究維度。

在二維材料中，所謂“堆垛”指的是原子層之間的排列方式。如果把一層MoS2看作一張紙，堆垛就像一沓紙可以以不同的旋轉角度或不同的滑動方式堆疊，不同的堆垛方式使得原子之間的相對位置發生改變，這在納米尺度上會顯著影響材料的電子結構與物理性質。近年來備受關注的“魔角”（即層間小角度旋轉），被認為是一種特殊的人工構筑的堆垛形式。在自然界中，MoS?最常見的堆垛有兩種：六方相（2H）和菱方相（3R），后者因為其缺乏中心對稱性，展現出卓越的非線性光學、谷電子學以及鐵電特性，特別適合用于構建新型存儲器和光電子器件。然而，由于2H與3R結構在熱力學上幾乎同等穩定，在生長中難以嚴格控制堆垛方式，這是二維材料制備領域的重大挑戰之一。

為攻克這一難題，研究團隊使用同質外延策略。采用高質量單層單晶MoS?作為外延襯底，通過精準調控過渡金屬前驅體濃度，成功實現了具有純3R相的多層MoS?晶圓的制備（圖1）。借助人工智能圖像識別技術對堆垛結構進行自動化識別與統計分析，證實3R相所占比例接近100%。

圖1：晶圓級菱方相多層MoS?。

為深入揭示3R相選擇性形成機制，研究團隊聯合東南大學王金蘭教授團隊開展理論計算。結果表明，晶體缺陷中的Mo替位S缺陷（MoS）可將兩種堆垛的形成能差值從1 meV/MoS2顯著提升至75 meV/MoS?。實驗上，團隊聚焦形核初期階段，采用高分辨率STEM對<10 nm的團簇進行觀測，證實MoS缺陷對3R選擇性生長的促進作用（圖2）?；诶碚撆c實驗的交叉驗證，團隊提出了同質外延中的缺陷促進選擇性形核的生長機制。這一理論的提出，為二維材料的結構調控提供了全新的機制與思路，為該領域的研究帶來了新的突破與希望。

圖2：菱方相MoS?生長機理。

此外，該工作還深入揭示了3R-MoS?所表現出的滑移鐵電性（圖3）。實驗利用壓電力顯微鏡（PFM）明確觀測到鐵電疇及明顯的壓電響應回滯曲線，并構建了以雙層3R-MoS?為溝道材料的超薄鐵電晶體管陣列。盡管溝道材料厚度僅為1.3 nm，其仍表現出超過十年的數據保持能力、優異的電導特性以及16位多態寫入能力，為未來高密度、低功耗、非易失存儲器件的發展注入了新動能。

圖3：菱方相MoS?的鐵電性。

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https://doi.org/10.1038/s41563-025-02274-y