從“蓋房子”到“頂竹筍”：我國科學家首創晶體制備新方法

晶體是計算機、通訊、航空、激光技術等領域的關鍵材料。傳統制備大尺寸晶體的方法，通常是在晶體小顆粒表面“自下而上”層層堆砌原子，好像“蓋房子”，從地基逐層“砌磚”，最終搭建成“屋”。

北京大學科研團隊在國際上首創出一種全新的晶體制備方法，讓材料如“頂着上方結構往上走”的“頂竹筍”一般生長，可保證每層晶體結構的快速生長和均一排布，極大提高了晶體結構的可控性。這種“長材料”的新方法有望提升芯片的集成度和算力，為新一代電子和光子集成電路提供新的材料。這一突破性成果於7月5日在線發表於《科學》雜誌。

圖為用“晶格傳質-界面生長”新方法制備晶圓級二維晶體受訪者供圖

北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所所長劉開輝教授介紹，傳統晶體制備方法的侷限性在於，原子的種類、排布方式等需嚴格篩選才能堆積結合，形成晶體。隨着原子數目不斷增加，原子排列逐漸不受控，雜質及缺陷累積，影響晶體的純度質量。為此，急需開發新的製備方法，以更精確控制原子排列，更精細調控晶體生長過程。

為此，劉開輝及其合作者原創提出名為“晶格傳質-界面生長”的晶體制備新範式：先將原子在“地基”，即釐米級的金屬表面排布形成第一層晶體，新加入的原子再進入金屬與第一層晶體間，頂着上方已形成晶體層生長，不斷形成新的晶體層。

實驗證明，這種“長材料”的獨特方法可使晶體層架構速度達到每分鐘50層，層數最高達1.5萬層，且每層的原子排布完全平行、精確可控，有效避免了缺陷積累，提高了結構可控性。利用此新方法，團隊現已製備出硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等7種高質量的二維晶體，這些晶體的單層厚度僅為0.7納米，而目前使用的硅材料多為5到10納米。

圖為基於二維晶體的電子和光子集成電路受訪者供圖

“將這些二維晶體用作集成電路中晶體管的材料時，可顯著提高芯片集成度。在指甲蓋大小的芯片上，晶體管密度可得到大幅提升，從而實現更強大的計算能力。”劉開輝説，此外，這類晶體還可用於紅外波段變頻控制，有望推動超薄光學芯片的應用。

（記者魏夢佳）