从「盖房子」到「顶竹笋」 中国科学家首创晶体制备新方法

晶体是计算机、通讯、航空、激光技术等领域的关键材料。传统制备大尺寸晶体的方法，通常是在晶体小颗粒表面「自下而上」层层堆砌原子，好像「盖房子」，从地基逐层「砌砖」，最终搭建成「屋」。

北京大学科研团队在国际上首创出一种全新的晶体制备方法，让材料如「顶着上方结构往上走」的「顶竹笋」一般生长，可保证每层晶体结构的快速生长和均一排布，极大提高了晶体结构的可控性。这种「长材料」的新方法有望提升芯片的整合度和算力，为新一代电子和光子集成电路提供新的材料。这项突破性成果于5日在线发表于《科学》杂志。

北大物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉教授指出，传统晶体制备方法的限制在于，原子的种类、排布方式等需严格筛选才能堆积结合，形成晶体。随着原子数目不断增加，原子排列逐渐不受控，杂质及缺陷累积，影响晶体的纯度质量。为此，急需开发新的制备方法，以更精确控制原子排列，更精细调控晶体生长过程。

为此，刘开辉及其合作者原创提出名为「晶格传质-界面生长」的晶体制备新范式：先将原子在「地基」，即厘米级的金属表面排布形成第一层晶体，新加入的原子再进入金属与第一层晶体间，顶着上方已形成晶体层生长，不断形成新的晶体层。

实验证明，这种「长材料」的独特方法可使晶体层架构速度达到每分钟50层，层数最高达1.5万层，且每层的原子排布完全平行、精确可控，有效避免了缺陷积累，提高了结构可控性。利用此新方法，团队现已制备出硫化钼、硒化钼、硫化钨等7种高质量的二维晶体，这些晶体的单层厚度仅为0.7纳米，而目前使用的硅材料多为5到10纳米。

「将这些二维晶体用作集成电路中晶体管的材料时，可显着提高芯片集成度。在指甲盖大小的芯片上，晶体管密度可大幅提升，从而实现更强大的运算能力。」刘开辉说，此外，这类晶体也可用于红外线波段变频控制，可望推动超薄光学芯片的应用。