徐小志， 張曉聞， 王 然， 曾凡凱， 周 濤

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院∥廣東省量子調(diào)控工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510006)

二維材料是只有幾個(gè)原子層厚度的超薄材料，其層內(nèi)原子通過共價(jià)鍵結(jié)合，相鄰層間通過范德華力連接，能夠表現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和磁學(xué)等物理性質(zhì)，在半導(dǎo)體電子器件、光電子器件、能源轉(zhuǎn)化器件、傳感器等方面具有極高的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1-2]. 二維材料是導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體等組成器件的基本單元，尤其適合應(yīng)用于光子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域，在制備邏輯、儲(chǔ)存、射頻、光電子器件應(yīng)用上獨(dú)具優(yōu)勢. 以石墨烯為代表的二維導(dǎo)體材料具有非常高的載流子遷移率，并且在相鄰的二維表界面處會(huì)發(fā)生超快的電荷轉(zhuǎn)移，可以實(shí)現(xiàn)器件的超快響應(yīng). 在微電子領(lǐng)域，傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件由于受到短溝道效應(yīng)的限制，尺寸難以按照“摩爾定律”持續(xù)減小. 而二維半導(dǎo)體材料僅有原子級(jí)的厚度，可以抑制短溝道效應(yīng)的影響，有效降低器件的能量損耗，有望延續(xù)“摩爾定律”，實(shí)現(xiàn)3 nm以下的邏輯芯片[3]. 若要完全實(shí)現(xiàn)二維材料的大規(guī)模器件化與集成化，則要求與傳統(tǒng)硅基器件的加工技術(shù)兼容，其中最需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是晶圓級(jí)二維單晶材料的制造. 大尺寸的單晶具有高度均勻性和晶格周期性，能夠保證最終器件的品質(zhì)不會(huì)因?yàn)榇罅咳毕菥Ы绲拇嬖诙霈F(xiàn)性能的明顯劣化. 此外，大面積的二維薄膜材料更容易在單一襯底上直接制造出一系列集成化的多功能器件，因此，大尺寸二維單晶材料的可控生長一直以來都成為二維材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

通常有2種方式可以合成大尺寸二維材料：自上而下、自下而上. 自上而下的方式主要包括：機(jī)械剝離法、液相剝離法. 機(jī)械剝離法得到的二維納米片結(jié)晶質(zhì)量較好，但是產(chǎn)率受限于實(shí)驗(yàn)人員的操作熟練程度，并且剝離的尺寸通常較小且形狀和層數(shù)也難以控制，僅能夠用于理論研究，非常不適合大規(guī)模制備. 液相剝離法的優(yōu)勢是操作簡單，可以用較低的成本實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)的層狀材料制備，但是質(zhì)量、層數(shù)、尺寸和均勻性都難以精確控制，也存在后續(xù)提純?nèi)コs質(zhì)困難的問題，無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求. 相對而言，自下而上的化學(xué)氣相沉積法(CVD)則是一種能夠生長出大尺寸、高質(zhì)量單層二維材料的有效技術(shù)，它本質(zhì)上是揮發(fā)性前驅(qū)體或氣態(tài)物質(zhì)在受熱襯底表面分解發(fā)生反應(yīng)最終沉積形成薄膜的過程[4]. 該方法的關(guān)鍵技術(shù)在于通過調(diào)節(jié)CVD過程中的幾個(gè)關(guān)鍵生長參數(shù)(包括源材料的種類、溫度、壓力、載流氣體流量以及襯底等)，可以分別實(shí)現(xiàn)二維材料成核和生長階段的精確控制，從而可以有效地調(diào)節(jié)產(chǎn)物的尺寸、控制晶疇的形貌和取向、減少晶界密度，很有希望應(yīng)用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn).

本文從二維導(dǎo)體石墨烯、絕緣氮化硼和半導(dǎo)體過渡金屬硫族化合物入手，回顧近年來利用CVD法制備二維單晶薄膜技術(shù)的研究進(jìn)展，重點(diǎn)梳理CVD法制備二維單晶材料的生長機(jī)理和控制策略，指出該技術(shù)存在的問題，展望大尺寸二維單晶材料在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中存在的一些問題和挑戰(zhàn)，為加深對材料生長機(jī)制的理解，推動(dòng)工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程提供借鑒.

1 大尺寸石墨烯單晶的生長

自從2004年NOVOSELOV和GEIM首次使用透明膠帶剝離出單層石墨烯以來，二維納米材料開始進(jìn)入了大眾的視野. 大尺寸單晶石墨烯的可控制備是其能夠在電子學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的前提. 目前最容易實(shí)現(xiàn)大尺寸、高質(zhì)量石墨烯單晶的CVD生長策略：碳?xì)浠衔锴膀?qū)體(例如甲烷)在合適的催化劑作用下裂解成碳原子或者碳自由基，并在特定襯底表面連續(xù)生長獲得石墨烯單晶. 2009年，RUOFF課題組首次報(bào)道了用CVD方法在銅表面上生長出大面積且均勻的單層石墨烯薄膜[5]. 他們發(fā)現(xiàn)碳在金屬銅中的溶解度非常低，高溫裂解產(chǎn)生的碳原子僅能在金屬表面吸附、遷移，進(jìn)而成核生長成石墨烯. 這種由低溶碳金屬表面催化機(jī)制引起的自限制生長模式非常容易獲得均勻的單層石墨烯薄膜. 自此，關(guān)于利用金屬襯底合成大尺寸石墨烯單晶的研究不斷取得新的突破和進(jìn)展.

目前，大規(guī)模制備大尺寸石墨烯單晶的途徑主要有2種：(1)控制單點(diǎn)成核來制備石墨烯單晶；(2)表面外延生長取向一致的石墨烯晶疇，通過無縫拼接來獲得石墨烯單晶[3].

1.1 單點(diǎn)成核生長

要制備大尺寸石墨烯單晶，首先需要解決的問題是減少石墨烯的成核密度. 在金屬表面催化生長是目前制備單層石墨烯薄膜的主要方法，改變金屬襯底的表面態(tài)是一種降低石墨烯成核密度的有效方法. 2013年，ROUFF等[6]系統(tǒng)地研究了銅表面的氧原子在石墨烯生長過程中的作用，氧原子不僅通過鈍化銅表面的活性位點(diǎn)降低石墨烯的成核密度，而且還可以將生長動(dòng)力學(xué)過程從邊緣附著限制模式轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散限制模式，從而增加石墨烯的生長速率. 在富氧的銅箔襯底上持續(xù)生長12 h后，石墨烯的最大尺寸可以達(dá)到1 cm左右. 然而這個(gè)方法并不能控制單點(diǎn)成核生長，導(dǎo)致制備得到的并非石墨烯單晶薄膜，而且石墨烯的生長速率會(huì)隨著沉積時(shí)間的增加逐漸減慢，導(dǎo)致產(chǎn)率減小. 因此研究者們開始將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到如何實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶的單點(diǎn)成核控制上來. 謝曉明團(tuán)隊(duì)在2016年首次實(shí)現(xiàn)了石墨烯的單點(diǎn)成核控制，成功制備了長寬約3.8 cm(1.5英寸)的石墨烯單晶[7]. 如圖1A所示，他們采用具有一定溶碳能力的Cu85Ni15合金作為生長襯底，通過在合金表面局域供源產(chǎn)生局部成核點(diǎn)，使石墨烯的單個(gè)核心快速演化成單層石墨烯. 與銅襯底上的表面催化機(jī)制不同，溶解在Cu85Ni15合金襯底內(nèi)的碳原子也參與了表面的石墨烯反應(yīng). 這種Ni的等溫偏析機(jī)制與增強(qiáng)的催化能力促進(jìn)了石墨烯單核的快速生長，長寬約3.8 cm的單晶生長過程只需2.5 h.

圖1 厘米級(jí)單晶石墨烯薄膜的生長、裝置示意圖及樣品照片

2018年，VLASSIOUK和YAKOBSON團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了他們在多晶銅鎳合金襯底上制備大尺寸石墨烯單晶薄膜的CVD技術(shù)，石墨烯最快生長速率可以達(dá)到2.5 cm/h，最大尺寸達(dá)到30 cm[8]. 如圖1B所示，他們將混合前驅(qū)氣體分成2束，其中氫氣與氬氣混合緩沖氣體正常通入管內(nèi)，甲烷與氬氣混合氣體采用小型石英噴嘴局部供給到襯底表面，同時(shí)借鑒了生長三維材料單晶常用提拉法的思路，在一定速率下均勻緩慢地拉動(dòng)襯底，得到了連續(xù)單層的石墨烯單晶薄膜. 該方法的關(guān)鍵因素在于控制高速緩沖氣流在可拉動(dòng)的高溫銅鎳合金襯底表面產(chǎn)生的局域濃度梯度抑制了新晶種的形成. 該過程遵循一種進(jìn)化選擇機(jī)制，生長最快的晶粒會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，生長緩慢的晶粒會(huì)逐漸消失，最終實(shí)現(xiàn)大尺寸石墨烯單晶的生長.

1.2 無縫拼接外延生長

由于單點(diǎn)成核生長的方式需要控制非常低的成核密度，制備大尺寸的石墨烯薄膜需要很長的時(shí)間，這一不足限制了該方法在規(guī)?；a(chǎn)中的進(jìn)一步應(yīng)用. 研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2個(gè)取向完全一致的晶疇拼接到一起時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生晶界，因此在單晶襯底上外延生長整齊的石墨烯晶疇，通過無縫拼接的方式組合成大尺寸石墨烯單晶是另一種非常有效的策略[9]. 拼接法對石墨烯的成核密度沒有任何限制，理論上最快1 h即可生長出晶圓級(jí)石墨烯單晶薄膜. 然而拼接法最大的問題在于需要選擇與石墨烯的晶格失配較小的單晶襯底，并且石墨烯的尺寸嚴(yán)重依賴于單晶襯底的尺寸，因此制備大尺寸的單晶金屬襯底對于單晶石墨烯的外延生長至關(guān)重要. 2017年，劉開輝團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了米級(jí)單晶銅箔的制備方法[10]，如圖2A～E所示，采用溫度梯度驅(qū)動(dòng)的熱退火法將市售的工業(yè)多晶銅箔轉(zhuǎn)化成單晶Cu(111). 銅箔錐形尖端保證了Cu (111)晶粒優(yōu)先在尖端成核，利用卷對卷工藝緩慢拉動(dòng)銅箔通過石英管的中心熱區(qū)，促使晶界在周圍溫度梯度的驅(qū)動(dòng)力作用下何高溫區(qū)不斷移動(dòng)，形成大面積連續(xù)的單晶銅箔，創(chuàng)造了單晶銅箔尺寸的世界紀(jì)錄. 如圖2C所示，他們用單晶銅Cu(111)作為生長石墨烯的襯底，只用30 min即可生長出尺寸為5 cm×50 cm的連續(xù)石墨烯單晶薄膜.

圖2 大尺寸石墨烯連續(xù)生長的示意圖及樣品照片[10]

外延生長石墨烯薄膜的效率取決于石墨烯在銅箔上的生長速率. 通常石墨烯在銅箔上生長速率不足0.4 μm/s，導(dǎo)致生長大尺寸的石墨烯單晶需要花費(fèi)很長時(shí)間. 為了解決這個(gè)問題，劉開輝團(tuán)隊(duì)提出了一種連續(xù)供氧輔助實(shí)現(xiàn)石墨烯超快生長的新技術(shù)[11]，將石墨烯的生長速率提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí). 如圖3A和圖3B所示，他們將銅箔放置在氧化物基板上方，氧化物在高溫下會(huì)對緊密接觸的銅襯底表面局域供氧，僅用5 s就能制備出橫向尺寸為0.3 mm的石墨烯單晶薄膜，生長速率達(dá)到60 μm/s. 當(dāng)銅表面存在氧原子時(shí)，甲烷分解能壘會(huì)顯著降低，可以保證快速而充足的碳供應(yīng)，從而加快石墨烯的生長. 除了氧以外，氟也被證明可以調(diào)控石墨烯的生長動(dòng)力學(xué)過程[12]. 如圖3C和圖3D所示，劉開輝團(tuán)隊(duì)將金屬氟化物基板放置在銅箔下方實(shí)現(xiàn)了石墨烯的快速生長，生長速率達(dá)到200 μm/s. 高活性的氟會(huì)促進(jìn)甲烷的分解，將石墨烯的吸熱生長過程轉(zhuǎn)變成放熱生長過程，加快了其在銅表面的生長. 除氟化物外，金屬硫、硒、氯、溴化物等材料都可以作為“局部活性物質(zhì)”的來源. 這一方法也被證明可以推廣到調(diào)節(jié)其他二維材料(如六方氮化硼、二硫化鎢)的CVD生長，生長速率能夠提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí).

(A)連續(xù)供氧輔助法生長石墨烯的示意圖[11]；(B) Al2O3基底支撐的銅箔背面上生長的石墨烯光學(xué)照片[11]；

2 雙層石墨烯的生長

當(dāng)雙層石墨烯以特定方式堆垛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與單層石墨烯截然不同的物理化學(xué)性質(zhì). AB堆垛的雙層石墨烯是最常規(guī)的雙層石墨烯結(jié)構(gòu)，其特征是上層石墨烯的碳原子垂直位于下層碳六元環(huán)的幾何中心. 當(dāng)電場在垂直方向作用時(shí)，由于對稱性的破壞，石墨烯的帶隙會(huì)被打開，這就使得AB堆垛的雙層石墨烯在電子和光電子器件中有極大的應(yīng)用潛力. 然而，生長大面積雙層石墨烯比生長單層石墨烯更加困難，其難點(diǎn)在于雙層石墨烯的尺寸會(huì)受到銅表面自限制行為的影響，一旦銅襯底的表面被第一層石墨烯覆蓋，含碳前驅(qū)體在金屬表面的裂解將會(huì)停止，第二層石墨烯將無法繼續(xù)生長[13].

關(guān)于打破銅襯底自限制生長的方法有很多種. 最早在2011年，劉忠范課題組就在已生長單層石墨烯薄膜的銅箔上游使用了額外的銅箔，利用新鮮銅箔持續(xù)催化裂解碳前驅(qū)體，產(chǎn)生額外的活性碳物種并用于生長第二層石墨烯，覆蓋率可達(dá)67%[14]. 2014年，BANERJEE團(tuán)隊(duì)提出利用碳原子在銅鎳合金薄膜中的偏析行為來制備AB堆垛的雙層石墨烯薄膜，覆蓋率達(dá)到90%[15]，但是這種方法容易出現(xiàn)薄膜層數(shù)不均勻的問題. 2020年，RUOFF團(tuán)隊(duì)改進(jìn)該方法制備了高質(zhì)量的多層石墨烯薄膜，采用與石墨烯晶格匹配更好的大面積銅鎳Cu/Ni(111)單晶箔片作為生長石墨烯的襯底，通過精確控制銅鎳合金中鎳的含量來調(diào)控碳溶解度，從而實(shí)現(xiàn)對石墨烯層數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)了覆蓋率大于95%的大面積AB堆垛雙層石墨烯和覆蓋率大于60%的ABA堆垛3層石墨烯的生長[16]. 同年，LEE和JEONG教授合作提出了一種能控制多層石墨烯薄膜層數(shù)和堆垛順序的方法[17](圖4)，他們以銅硅合金為襯底，通入極低體積分?jǐn)?shù)的甲烷在合金表面催化成碳自由基，從而產(chǎn)生SiC層，隨后進(jìn)一步熱處理升華硅原子，殘留的碳原子即可形成多層石墨烯晶種. 通過調(diào)節(jié)甲烷體積分?jǐn)?shù)可以實(shí)現(xiàn)1層、2層(AB)、3層(ABA)和4層(ABCA)石墨烯的可控制備.

圖4 Cu-Si合金中多層石墨烯的生長[17]

3 氮化硼的生長

六方氮化硼(h-BN)的結(jié)構(gòu)與層狀石墨相似，是一種理想的寬帶隙絕緣材料. h-BN具有無懸掛鍵的原子級(jí)平整表面，能有效減少界面電荷散射和損耗. h-BN由于具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、介電性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在電子器件領(lǐng)域可以替代SiO2成為制造二維超薄場效應(yīng)晶體管器件所需的絕緣隔離層和保護(hù)層.

通過CVD法制備大尺寸的氮化硼單晶一直是國際難題：六方氮化硼是由氮和硼組成的二元化合物，其晶格具有三重對稱性，因此其在普通單晶襯底外延生長時(shí)會(huì)出現(xiàn)2種取向完全相反的晶疇，在拼接成薄膜時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的孿晶晶界. 2019年，劉開輝課題組采用中心反演對稱性破缺的單晶銅箔作為生長h-BN的襯底，首次實(shí)現(xiàn)了分米級(jí)單層h-BN單晶的制備[18](圖5)，該方法利用一種特殊的退火工藝將工業(yè)多晶銅箔轉(zhuǎn)換成有C1對稱性的Cu(110)小傾斜角晶面，該晶面上有特殊的Cu<211>臺(tái)階. 當(dāng)Cu臺(tái)階邊緣與h-BN晶格中B和N的截止鋸齒形邊界耦合時(shí)，兩者的形成能強(qiáng)度差異會(huì)打破反向h-BN晶疇的取向優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)晶疇的對齊生長并無縫拼接為大尺寸的h-BN單晶薄膜，最大面積可以達(dá)到100 cm2. 該方法具有普適性，可以推廣用于其他二維單晶材料的生長.

圖5 大面積單一取向h-BN的生長[18]

CHEN等[19]在藍(lán)寶石晶圓上濺射Cu(111)外延生長制備了單層六方氮化硼單晶. 過去一直認(rèn)為在六重對稱的Cu(111)晶面上生長取向一致的h-BN晶疇幾乎不可能，而他們發(fā)現(xiàn)h-BN與Cu(111)銅臺(tái)階邊緣進(jìn)行側(cè)向?qū)訒r(shí)，Cu(111)表面的臺(tái)階邊緣可以消除h-BN晶疇間的能量簡并，確保h-BN外延生長的單向性. 總之，利用襯底的界面調(diào)控可以有效實(shí)現(xiàn)晶圓尺寸的二維薄膜生長，具有廣泛的應(yīng)用前景.

4 單晶二維TMD的生長

層狀過渡金屬硫?qū)倩衔?TMD)是二維材料領(lǐng)域非常重要的材料，其結(jié)構(gòu)式為MX2，其中M為Mo、W等過渡金屬元素，X為硫族元素. MX2根據(jù)元素種類、結(jié)構(gòu)的不同而擁有金屬、半金屬、半導(dǎo)體等多種特性. 例如TMD半導(dǎo)體材料具有厚度依賴的帶隙，兼具優(yōu)良的載流子遷移率和穩(wěn)定性，在晶體管、光電探測器和傳感器等方面具有廣闊的應(yīng)用潛力[20]. 因此，制備晶圓級(jí)的高質(zhì)量TMD單晶是受到廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)，是其能夠應(yīng)用到下一代薄膜電子器件的基礎(chǔ). 然而由于反演對稱中心的存在，TMD在生長過程中會(huì)出現(xiàn)0°和60°取向的晶疇，無法實(shí)現(xiàn)大尺寸TMD薄膜的無縫拼接，如何選擇襯底和生長參數(shù)控制TMD晶疇的成核和取向一直是一個(gè)巨大的難題. 近些年來，利用單晶襯底的臺(tái)階調(diào)控外延制備大尺寸單層TMD單晶薄膜才有相關(guān)報(bào)道[21-22]. 2020年，張艷鋒課題組報(bào)道了大尺寸MoS2單晶薄膜的可控制備[21](圖6A)，他們通過熔融固化法將商用多晶Au箔轉(zhuǎn)化成Au(111)薄膜，并以此作為外延襯底，實(shí)現(xiàn)了MoS2晶疇的大面積對齊，拼接后可以得到厘米級(jí)單層MoS2單晶薄膜. 他們證明了MoS2晶疇的成核取向受到Au(111)表面臺(tái)階的強(qiáng)烈引導(dǎo)，使其沿Au <110>臺(tái)階邊緣呈單一取向生長.

圖6 單一取向MoS2單晶、晶疇以及納米帶的生長

2020年，ALJARB等[22]報(bào)道了MoS2的單一取向生長(圖6B、圖6C)，采用臺(tái)階定向外延輔助CVD法，在β-Ga2O3(100)襯底上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、自對準(zhǔn)、單層MoS2單晶納米帶的可控合成. MoS2的晶種沿β-Ga2O3(100)單晶襯底的表面臺(tái)階(-201)上優(yōu)先成核，不同取向晶核與臺(tái)階邊緣的結(jié)合能差異、襯底表面擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)能量的限制共同導(dǎo)致了MoS2沿單一方向生長，最終形成連續(xù)的單晶納米條帶. 這種具有長距離空間均勻性的單層TMD連續(xù)納米帶可以用作場效應(yīng)晶體管陣列，能在超低功耗下實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的靜電控制.

5 展望

金屬表面上的CVD外延生長被認(rèn)為是獲得大面積、高質(zhì)量二維薄膜材料的最有效方法. 通過調(diào)控金屬的表面狀態(tài)和原子級(jí)臺(tái)階，可以實(shí)現(xiàn)對2D材料尺寸和質(zhì)量的精確控制并實(shí)現(xiàn)快速生長. 銅箔仍然是二維單晶材料薄膜(特別是石墨烯)生產(chǎn)中最受歡迎的催化劑和襯底. 盡管已經(jīng)有不少大尺寸、高品質(zhì)石墨烯薄膜的報(bào)道，但仍有以下問題尚未解決.

首先，2D材料的生長機(jī)制尚無統(tǒng)一定論，仍然缺乏直接有效的證據(jù)，可能需要開發(fā)出原位方法來全面觀察整個(gè)過程，尤其是高溫條件下生長過程的原位觀測.

其次，金屬表面上制備的二維材料必須轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上才能制備成電子器件，在轉(zhuǎn)移的過程中不可避免地會(huì)發(fā)生撕裂、褶皺或者污染，嚴(yán)重降低材料的品質(zhì). 以石墨烯為例，常規(guī)的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)輔助的轉(zhuǎn)移方法通常會(huì)造成樣品的污染，從而降低使用性能. 借助濕法蝕刻法完全去除金屬基板也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，這種額外的轉(zhuǎn)移工藝與當(dāng)前的半導(dǎo)體加工工藝不兼容，同時(shí)轉(zhuǎn)移會(huì)造成石墨烯的褶皺、破損和降低其電學(xué)性能，要實(shí)現(xiàn)超凈轉(zhuǎn)移和理想的工業(yè)生產(chǎn)還有很長的路. 在絕緣襯底上實(shí)現(xiàn)石墨烯的無金屬催化生長是非常有前景的課題，探索不需要轉(zhuǎn)移過程而直接構(gòu)筑電子器件之路. 例如選擇玻璃作為石墨烯的生長襯底，在保證玻璃透明的前提下，可以賦予玻璃優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在觸摸屏、智能窗、光學(xué)元件、生物容器等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力.

再次，絕緣襯底上生長的石墨烯由于重復(fù)成核通常會(huì)存在層數(shù)不均勻的問題. 與金屬襯底上的表面催化生長機(jī)制不同，藍(lán)寶石、氧化硅等絕緣襯底不具備催化作用，因此，在絕緣基底上直接制備大面積均勻單層的石墨烯薄膜，需要對石墨烯的生長機(jī)理有更加深刻的了解. 對于TMD，其大尺寸單晶材料的合成技術(shù)仍然處于早期的研究階段，存在大量尚未解決的問題：特別對于更適合TMD生長的絕緣襯底(如云母和藍(lán)寶石)而言，反平行晶疇的存在會(huì)導(dǎo)致孿晶晶界的形成；金屬前驅(qū)體在某些晶面的絕緣襯底上浸潤性較差，傾向于垂直生長，會(huì)嚴(yán)重影響單層薄膜的制備，增加生長難度；由于某些晶面的絕緣襯底臺(tái)階分布不均勻，表面勢壘的增加會(huì)導(dǎo)致TMD成核困難，也限制了單晶薄膜的進(jìn)一步生長.

最后，二維材料的批量化制備非常復(fù)雜，尤其是從實(shí)驗(yàn)室階段向工業(yè)化轉(zhuǎn)化，需要解決諸多問題. CVD規(guī)?；苽涫窃谙嗨频幕瘜W(xué)反應(yīng)環(huán)境下將實(shí)驗(yàn)室的體系尺寸進(jìn)一步放大，對材料的均勻性會(huì)有更高的要求，這就意味著需要充分考慮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)因素，例如擴(kuò)散、表面吸附和氣相反應(yīng)等多個(gè)過程. 對環(huán)境限域氣流、反應(yīng)物的蒸汽濃度、溫度及襯底的調(diào)控需要做到更加精準(zhǔn)，保證產(chǎn)品的良品率. 此外，采用CVD法生長的單晶薄膜由于存在與襯底之間熱膨脹系數(shù)的不匹配，通常會(huì)產(chǎn)生裂紋和褶皺，這將會(huì)引入大量的缺陷，影響產(chǎn)品的使用壽命，這也是在實(shí)際生產(chǎn)中需要考慮的一個(gè)問題.

近些年來，關(guān)于多層二維石墨烯薄膜的研究如火如荼，具有特定層數(shù)石墨烯單晶薄膜的生長方法和大面積多層石墨烯薄膜的堆疊角調(diào)控可能是未來二維材料最值得研究的方向. 因此，大面積單晶石墨烯層數(shù)的精確控制、開發(fā)新的二維材料轉(zhuǎn)移方法、在大面積上保持石墨烯的物理完整性以及避免在引入任何雜質(zhì)或殘留物也是未來亟需解決的核心問題. 我們相信隨著材料合成方法的不斷改進(jìn)，規(guī)?；某瑵崈魺o損轉(zhuǎn)移技術(shù)以及新興應(yīng)用研究將不斷取得突破，2D材料會(huì)有更美好的未來.