北京大学科研团队首创出全新的晶体制备方法

近日，北京大学刘开辉教授科研团队在国际上首创出一种全新的晶体制备方法。这种方法被形象地称为“顶竹笋”式生长，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集成度和算力，为新一代电子和光子集成电路提供新的材料。这一突破性成果于7月5日在线发表于《科学》杂志。

图1.发展“晶格传质-界面外延”生长新范式，制备晶圆级3R-TMDs单晶（图源：北京大学）

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉教授介绍，传统晶体制备方法的局限性在于，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。因此，该科研团队在晶体制备方法上采用了“晶格传质-界面生长”技术，首次实现了层数及堆垛结构可控的菱方相二维叠层单晶的通用制备。

整体来看，“顶竹笋”式生长晶体制备方法与传统晶体生长方法相比有以下几个显著优势：

一是快速生长和均一排布：该方法可以让材料如“顶着上方结构往上走”的“顶竹笋”一般生长，确保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。

二是提高芯片集成度：利用此新方法制备的二维晶体（如硫化钼、硒化钼、硫化钨等）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。这些高质量的二维晶体用作集成电路中晶体管的材料时，可以显著提高芯片的集成度。

三是适用于多种关键领域：晶体是计算机、通讯、航空、激光技术等领域的关键材料。传统的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，而“顶竹笋”式方法则提供了一种新的解决方案，能够更好地满足这些领域对高性能晶体的需求。

刘开辉表示，“将这些二维晶体用作集成电路中晶体管的材料时，可显著提高芯片集成度。在指甲盖大小的芯片上，晶体管密度可得到大幅提升，从而实现更强大的计算能力。”此外，这类晶体还可用于红外波段变频控制，有望推动超薄光学芯片的应用。