從「蓋房子」到「頂竹筍」 中國北大全球首創全新晶體製備方法

根據中國北京大學研究團隊上週五 (5 日) 刊於《科學》雜誌的最新論文，該團隊在晶體製備方法採用「晶格傳質 - 界面生長」技術，首次實現層數及堆疊結構可控的菱方相二維疊層單晶的通用製備，讓材料如「頂著上方結構往上走」的「頂竹筍」一般生長，可保證每層晶體結構的快速生長和平均分布，極大提高晶體結構的可控性。

《新華社》報導，這種「長材料」的新方法有望提升晶片的整合度跟運算能力，為新一代電子和光子積體電路提供新的材料。

北大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，傳統晶體製備方法的限制在於，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。隨著原子數量不斷增加，原子排列逐漸不受控，雜質及缺陷累積影響晶體的純度品質。因此，急需開發新的製備方法來更精確控制原子排列，更精細調控晶體生長過程。

劉開輝及其合作者原創提出「晶格傳質 - 界面生長」的晶體製備新技術，也就是先將原子在「地基」，即公分級 0 的金屬表面排佈形成第一層晶體，新加入的原子再進入金屬與第一層晶體之間，頂著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，且每層原子排列分佈完全平行、精確可控，有效避免缺陷積累，提高了結構可控性。

北大科研團利用這一新方法已經製備出硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等 7 種高品質的二維晶體，這些晶體的單層厚度僅為 0.7 奈米，目前使用的矽材料多為 5 到 10 奈米。

劉開輝表示，將這些二維晶體用作積體電路中晶體管的材料時，可顯著提高晶片集成度。在指甲蓋大小的晶片上，晶體管密度可大幅提升，從而實現更強大的運算能力。此外，這類晶體也可用於紅外線波段變頻控制，有望推動超薄光學晶片的應用。

晶體是電腦、通訊、航空、雷射技術等領域的關鍵材料。傳統製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」。