從“蓋房子”到“頂竹筍”：我國(guó)科學(xué)家首創(chuàng)晶體制備新方法

晶體是計(jì)算機(jī)、通訊、航空、激光技術(shù)等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。傳統(tǒng)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(xué)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首創(chuàng)出一種全新的晶體制備方法，讓材料如“頂著上方結(jié)構(gòu)往上走”的“頂竹筍”一般生長(zhǎng)，可保證每層晶體結(jié)構(gòu)的快速生長(zhǎng)和均一排布，極大提高了晶體結(jié)構(gòu)的可控性。這種“長(zhǎng)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。這一突破性成果于7月5日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

圖為用“晶格傳質(zhì)-界面生長(zhǎng)”新方法制備晶圓級(jí)二維晶體

北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長(zhǎng)劉開(kāi)輝教授介紹，傳統(tǒng)晶體制備方法的局限性在于，原子的種類、排布方式等需嚴(yán)格篩選才能堆積結(jié)合，形成晶體。隨著原子數(shù)目不斷增加，原子排列逐漸不受控，雜質(zhì)及缺陷累積，影響晶體的純度質(zhì)量。為此，急需開(kāi)發(fā)新的制備方法，以更精確控制原子排列，更精細(xì)調(diào)控晶體生長(zhǎng)過(guò)程。

為此，劉開(kāi)輝及其合作者原創(chuàng)提出名為“晶格傳質(zhì)-界面生長(zhǎng)”的晶體制備新范式：先將原子在“地基”，即厘米級(jí)的金屬表面排布形成第一層晶體，新加入的原子再進(jìn)入金屬與第一層晶體間，頂著上方已形成晶體層生長(zhǎng)，不斷形成新的晶體層。

實(shí)驗(yàn)證明，這種“長(zhǎng)材料”的獨(dú)特方法可使晶體層架構(gòu)速度達(dá)到每分鐘50層，層數(shù)最高達(dá)1.5萬(wàn)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(jié)構(gòu)可控性。利用此新方法，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已制備出硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等7種高質(zhì)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。

圖為基于二維晶體的電子和光子集成電路

“將這些二維晶體用作集成電路中晶體管的材料時(shí)，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(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的計(jì)算能力。”劉開(kāi)輝說(shuō)，此外，這類晶體還可用于紅外波段變頻控制，有望推動(dòng)超薄光學(xué)芯片的應(yīng)用。