二維材料具有原子級的厚度、 優異的電子傳輸及光電特性等新穎物理特性， 是發展高性能電子與光電子器件的理想載體， 有望延續傳統硅基半導體工業“摩爾定律”， 進一步提升芯片晶體管集成密度。 然而，制備高質量的二維材料的工藝溫度普遍較高，遠超過標準半導體 CMOS（互補型金屬氧化物半導體）芯片制程工藝的溫度限制， 這嚴重制約了二維材料與硅基集成電路的集成應用。雖然可以通過引入額外機械轉移工藝實現二維材料的集成，但通過機械轉移方法制備的樣品不僅難以控制產物形貌尺寸，耗時低效，并且常在材料界面引入化學雜質，導致材料性能的明顯衰退，難以規?；瘧?。因此，實現高質量二維材料的低溫直接生長是推進其在半導體領域實際應用的理想解決方案。
近日，溫州大學化學與材料工程學院張禮杰等人針對二維材料及異質結與半導體芯片單片集成面臨的溫度限制難題，在二維材料及其異質結的低溫可控生長與低溫生長機理方面，首先發展了范德華襯底輔助低溫外延生長策略，實現了系列二維金屬碘化物（ PbI2、CdI2、BiI3、CuI）在較低溫度下的可控生長，結合理論計算，揭示了擴散勢壘對二維碘化物生長的影響規律，為低溫生長高質量二維材料提供了策略和理論指導，該研究成果發表在在材料領域國際權威學術期刊《Advanced Functional Materials》。
圖1 ：范德華襯底協同二維碘化物低溫原位替代生長二維金屬硫化物及光電性能
在此基礎上，張禮杰研究員等設計了一種普適性的范德華襯底協同二維碘化物低溫原位替代生長方法，實現了 17 種高質量二維金屬硫化物及其異質結的超低溫可控生長（≤ 400℃），結合理論計算，闡明了超低溫原位替代生長機理，揭示了硫元素替換碘元素的低取代勢壘微觀本質，并且在＜ 400℃下實現了多種二維材料及其異質結的大面積陣列集成，為二維材料與半導體芯片后端制造工藝的溫度兼容性問題提供了一種可行性方案，為二維材料及其異質結的單片集成提供了一種新思路。該研究成果以“Epitaxial substitution of metal iodides for low-temperature growth of two-dimensional metal chalcogenides”為題目發表在在Nature 子刊《Nature Nanotechnology》，溫州大學為共同通訊單位，溫州大學化材學院張禮杰、香港大學Lain-Jong Li、香港科技大學羅正湯、廣東工業大學黃少銘為共同通訊作者，溫州大學化材學院青年教師趙梅為共同第一作者。
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https://doi.org/10.1038/s41565-023-01326-1
