综述 | 二维单晶生长的成核控制

二维材料凭借其独特的原子级结构和优异的物理化学特性，为半导体产业的变革性发展提供了巨大潜力。类似于硅基芯片依赖于晶圆级单晶硅锭的范式，二维材料在芯片层面的应用同样需要大规模且高质量的单晶制备。经过二十余年的发展，二维单晶的生长尺寸已实现从微米级向晶圆级乃至米级的跨越。然而，在可控生长过程中，成核行为的调控始终是决定晶体尺寸、质量与缺陷密度的关键环节。因此，对成核控制机制进行系统性综述，不仅能够加深对二维单晶生长基本规律的理解，也为实现其大规模可控合成与未来产业化应用提供理论支撑与实践指引。

近日，华南师范大学徐小志教授课题组系统探讨了大面积单晶二维材料外延的两种主要策略（如图1）：成核密度调控与成核位置控制。在单核生长策略中，核心目标是尽可能降低成核密度，以减少基底上多核形成的可能性，从而保证单个原子核能够持续扩展并最终形成大尺度单晶。而在多核生长策略中，则需要对初始成核位置进行精确控制，以确保所有原子核取向一致，从而在后续扩展过程中实现无缝拼接并形成完整的单晶薄膜。这两种策略各具优势，但同时也伴随特定的挑战。当前，相关研究正不断推进，以进一步优化成核调控方法，提升其在工业规模生产中的可行性与可靠性。

图1. 两种二维材料单晶外延生长的方法示意图。

该文章以题为“Nucleation control for the growth of two-dimensional single crystals”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Nucleation control for the growth of two-dimensional single crystals

Jinxia Bai, Chi Zhang, Fankai Zeng, Jinzong Kou, Jinhuan Wang, and Xiaozhi Xu

J. Semicond. 2025, 46(9), 091701 doi: 10.1088/1674-4926/25030023

作者简介

第一作者

白金霞，华南师范大学博士研究生。

专注二维材料的制备与表征。

第一作者

章驰，华南师范大学博士研究生。

专注二维材料的制备与表征。

通讯作者

王金焕，华南师范大学特聘副研究员。

长期从事二维材料的表界面调控制备及光谱学表征研究，发表（共同）通讯/第一作者论文主要包括Nature Nanotechnology 1篇、Nano Research 1篇、JPCC 1篇、PRL 1篇（已接收），获授权发明专利3项。主持国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）、中国博士后科学基金面上资助等项目。

通讯作者

徐小志，华南师范大学教授、博士生导师、国家基金委优青、广东省杰青、华南师范大学物理学院凝聚态物理研究所副所长、广东省量子调控工程与材料重点实验室副主任。

本科毕业于东南大学物理系（2012），博士毕业于北京大学前沿交叉学科研究院（2017）。之后在北京大学物理学院从事博士后研究并于2019年入职华南师范大学。长期从事低维材料与表面物理研究。发表（共同）通讯/第一作者论文24篇，包括Nature正刊2篇、Nature子刊6篇，获授权发明专利23项。主持国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）、国家重点研发计划课题、国防科技创新特区项目、广东省重点领域研发计划、广东省杰出青年基金等项目。获评“2019中国十大新锐科技人物”、“2024年广东省青年五四奖章”。核心技术成果获评“2024年日内瓦国际发明特别展金奖”、“2024年中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖”、“2020年中国重大技术进展”、“2020年度中国半导体十大研究进展”、2019年中国百篇最具影响国际学术论文。目前担任《Materials futures》、《Frontiers of physics》、《Exploration》杂志青年编委。