西湖大学孔玮助理教授等人发表题为“Wafer-scale 2D materials: from single-crystalline epitaxy to artificial stacking”于 2D Materials上
DOI 10.1088/2053-1583/ae5e43
在半导体工艺持续迈向更小尺寸、更高集成度的进程中，以石墨烯、六方氮化硼与过渡金属硫族化合物为代表的二维范德华材料，凭借原子级厚度、无悬挂键界面与层间解耦特性，成为后摩尔时代延续器件微缩与性能提升的关键材料体系。然而，从基础研究走向工业化应用的核心瓶颈在于，如何将仅能在微纳薄片实现的精确取向、可控堆垛与莫尔超结构，拓展至英寸级晶圆尺度，传统机械剥离法尺寸受限、重复性差，化学气相沉积与分子束外延等宏量制备方法易形成多晶薄膜，晶界大幅降低载流子迁移率与器件均匀性，人工转移堆叠则面临界面污染、褶皱、气泡与转角精度不足等问题，严重制约高性能器件的规模化制造。针对这一核心挑战，本文系统综述晶圆级二维材料的关键制备技术，从面内单晶外延、垂直同质结构外延、可规模化异质结构外延，到人工转移堆叠与界面调控，全面梳理对称性引导外延、台阶引导外延、界面工程、偏析外延、远程外延与确定性堆叠等核心策略，结合系列关键图表深入阐释结构 — 界面 — 性能的构效关系，明确低温非晶格匹配外延、晶圆级精确转角控制、原子结构与器件性能关联表征等前沿方向，为理性设计大面积二维范德华功能结构提供统一框架与路线指引。
图 1 展示二维材料外延生长与转移堆叠技术的整体发展进程，直观呈现从单晶单层、同质结构到外延异质结与人工异质结的四大技术分支，左侧晶圆级单晶单层部分涵盖石墨烯、hBN 与 TMDCs 等代表性材料的英寸级单晶生长成果，依托对称性匹配、台阶诱导与界面修饰等策略实现高取向畴区无缝拼接，中间单晶同质结构部分展示多层垂直堆叠的单晶生长突破，突破单层覆盖后难以继续外延的动力学限制，右侧外延异质结部分呈现通过原位生长实现的横向与垂直异质结构，具备原子级洁净界面与精确晶格取向，最右侧人工异质结部分展示从微纳小片转移迈向晶圆级精准堆叠的技术演进，解决大面积转移中的污染、破损与角度控制难题，这张图以时间线与成果照片清晰勾勒出领域从实验室探索向工业化制造迈进的核心脉络，证明晶圆级二维材料已实现从无到有、从无序到有序、从小片到晶圆的跨越式突破，为后续高性能电子与光电器件奠定坚实材料基础。
图 2 阐释对称性引导外延的物理机制与实验效果，上半部分对比中心对称与非中心对称二维材料的畴区合并行为，中心对称材料如石墨烯的 0° 与 180° 畴区可无缝拼接、无晶界形成，源于衬底表面对称性提供的取向过滤效应，使畴区沿统一方向生长，而非中心对称材料如 hBN 与 TMDCs 在中心对称衬底上会形成能量简并的反向畴，合并后产生孪晶晶界，限制单晶尺寸提升，下半部分展示石墨烯在 Cu (111) 衬底上的对称性引导外延结果，紫外辐照后无可见晶界，多晶铜与单晶铜衬底的对比实验证明，高平整、高对称单晶衬底是实现米级单晶石墨烯的关键，这一机制明确了中心对称材料在晶圆级单晶生长中的先天优势，也为后续采用台阶与界面工程打破非中心对称材料的取向简并性提供理论依据，是理解二维材料面内单晶生长的核心基础。
图 3 系统呈现台阶引导与界面引导外延的策略，用于解决非中心对称材料的反向畴问题，左侧台阶引导外延部分展示利用斜切衬底的原子台阶破坏面内对称性，强制畴区沿单一方向形核，在 Cu (110) 与蓝宝石衬底上均实现超过 99% 的高取向一致性，台阶边缘作为优先吸附位点降低形核势垒，消除 0° 与 180° 取向的能量简并，使 hBN、MoS₂、WS₂等材料实现英寸级单晶生长，右侧界面引导外延部分揭示界面层与表面化学态的关键作用，在 MoS₂/ 蓝宝石界面引入 MoO₃界面层可重构表面对称性，将双取向形核限制为单取向，大幅提升单晶质量，同时硫 / 金属前驱体比例、表面终端修饰等参数可调控畴区取向与形貌，证明界面势场调控与台阶几何诱导协同作用，共同实现非中心对称二维材料的晶圆级单晶外延，突破对称性引导外延的固有局限。
图 4 展示界面介导外延的原子机制与结构表征，左侧示意图呈现界面层如何打破衬底与外延层的对称性匹配限制，通过原子级薄过渡层重构表面势能，实现单一取向形核，中间 iDPC-STEM 电镜图直接观测到 MoS₂与蓝宝石之间的 MoO₃界面层，厚度仅原子级，清晰证明界面工程的结构基础，右侧系列图表展示不同表面修饰、前驱体比例与台阶条件下的外延结果，统一证明界面相互作用而非单纯台阶几何是决定最终取向的核心因素，在特定生长条件下，界面主导机制可取代台阶主导机制，为不同材料体系选择最优外延路线提供实验支撑，这张图从原子尺度揭示界面介导单晶生长的本质，建立起表面化学、界面结构与外延取向之间的直接关联，推动外延策略从经验试错走向理性设计。
图 5 介绍垂直同质结构的三类核心外延策略，解决单层覆盖后难以继续生长多层单晶的难题，边缘对齐形核外延利用衬底台阶高度与层间距匹配，引导上层在台阶边缘形核，实现双层与多层 MoS₂的均匀生长；偏析驱动外延以金属合金体内为元素库，高温溶解、低温析出，持续供给原子实现多层甚至万层级 3R 相 TMDC 单晶生长；远程外延通过石墨烯等原子层传递衬底势能，实现晶格失配体系的单晶堆叠与无损剥离，三类方法分别从形核位点、原子供应方式与势能传递角度突破垂直生长限制，电镜图与结构模型清晰展示每层的精确堆叠与取向一致性，为高性能器件所需的多层单晶结构提供可扩展方案，是实现从单层到块体级二维单晶的关键技术支撑。
图 6 展示横向异质结的外延制备路线与结构特征，通过分步加热、气相切换、激光刻蚀再填充等策略，实现不同 TMDC 材料在同一基面上的无缝拼接，原子级分辨电镜图呈现清晰锐利的界面，无原子混排与缺陷，证明横向异质结可实现原子级陡峭的界面与连续单晶结构，同时通过图案化引导生长可制备周期阵列异质结，适合规模化器件集成，这类结构具备精确能带调控与光电子响应定制能力，在逻辑器件、光电探测与能带工程领域具备重要价值，这张图直观证明横向异质结已从单一结走向晶圆级阵列，为片上多功能集成提供结构基础。
图 7 呈现垂直异质结的外延与受限生长策略，通过多层循环生长、单层精准堆叠与几何受限引导，实现垂直方向的精确异质集成，特别是几何受限外延可在非晶衬底上实现单畴生长，并兼容后端低温工艺，实现单片三维集成的 CMOS 器件，打破传统垂直堆叠的界面污染与转角失控问题，同时实现畴区、层数与界面的精准控制，电镜图展示垂直方向的清晰层状结构与无缺陷界面，证明外延垂直异质结可同时满足高质量、规模化与三维集成需求，为后摩尔时代高密度三维集成提供全新技术路线。
图 8 对比晶圆级转移堆叠的三大技术路线，湿法转移以 PMMA 等聚合物支撑，工艺成熟但易残留污染与褶皱；半干转移以 PDMS 为介质，实现局部溶剂辅助与精准角度控制，兼顾效率与界面质量；干法转移在真空环境下完成，完全避免溶剂与聚合物污染，实现超洁净界面与亚度级转角精度，同时金属辅助与介质辅助转移进一步拓展适用范围，光学图与结构示意图展示各类方法的流程与宏观转移效果，证明干法与半干转移是实现高性能晶圆级异质结构的最优选择，为人工莫尔超结构与多功能器件提供可靠集成方案。
图 9 展示晶圆级转角控制的关键策略，基于单晶外延的晶向一致性，通过衬底边缘对准实现大面积角度锁定，精度可达 0.1° 以内，结合机器人四维组装与二次谐波表征，实现自动化、高精度角度调控，突破微纳转移的尺度限制，将莫尔超结构的精确调控拓展至晶圆尺度，为探索关联电子态、非常规超导与拓扑量子态的规模化应用提供技术支撑，这张图标志着二维材料从随机堆叠进入确定性转角工程的全新时代
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