二维（2D）范德华（vdW）材料的特殊物理性质已被广泛研究，从而推动了材料合成的发展。外延生长是一种突出的合成策略，其能够生产出与先进集成电路兼容的大面积、高质量2D薄膜。典型的2D单晶，如石墨烯、过渡金属二硫属化物和六方氮化硼，已实现在晶片规模上外延生长。近日，北京大学刘开辉综述研究了二维材料及其同质结构的外延生长。
本文要点：
1) 作者从两个方向关注2D vdW材料的外延方法：平面内单晶单层的生长和平面外同质结构的制造。作者首先讨论了单畴的成核控制和多畴的取向控制，以实现大规模单晶单层。
2) 作者用各种外延生长技术分析了典型二维vdW材料的缺陷水平和晶体质量的测量。然后，作者概述了生长均匀多层和扭曲同质结构的技术路线。作者进一步总结了当前的研究策略，以指导未来2D vdW材料的按需制造以及后续工业应用的器件制造。
图1 2D vdW材料外延生长及其均质结构的代表性进展
图2 单畴成核控制
图3 多畴取向控制
图4 均质多层结构的制备
图5 扭转同质结构的制备
参考文献：
Can Liu et.al Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures Nature Nanotechnology 2024
DOI: 10.1038/s41565-024-01704-3
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01704-3
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二维材料外延的概念可追溯到20世纪60年代，当时John May在碳氢化合物中的高温金属衬底上识别出未指派的低能电子衍射图案，并将其归因于“单层石墨”的生长。术语“范德华外延”由Koma等人于1984年引入，用于在解理的MoS₂表面制备亚纳米厚的NbSe₂薄膜。最初，这些探索仅限于表面物理学界，未引起广泛关注。该领域在过去二十年经历了转变，始于2004年石墨烯的发现和分离，这推动了一系列探索特征性二维范德华材料及其同质结构外延生长的突破“浪潮”。2009年在铜箔上合成单层石墨烯掀起了第一波浪潮，其外延机制在接下来的十年中被阐明，促进了单晶薄膜的工业化生产。随后的浪潮归因于二维六方氮化硼和过渡金属二硫族化合物的外延，最近实现了英寸尺寸的单晶。人工多层系统中扭旋电子学和莫尔光子学等新兴现象推动了另一波浪潮，用于直接生长具有可控堆叠和扭转角的面外同质结构。展望未来，新兴二维材料外延的新浪潮可能包括单质元素物种、非过渡金属硫族化合物、二维硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、氢氧化物和卤化物。尽管每波浪潮都有其独特的挑战，但一个普适的外延原理是基础且对引导这些进步至关重要。