從「蓋房子」到「頂竹筍」 中國科學(xué)家首創(chuàng )晶體制備新方法

晶體是計算機、通訊、航空、激光技術(shù)等領(lǐng)域的關(guān)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(xué)科研團隊在國際上首創(chuàng )出一種全新的晶體制備方法，讓材料如「頂著(zhù)上方結構往上走」的「頂竹筍」一般生長(cháng)，可保證每層晶體結構的快速生長(cháng)和均一排布，極大提高了晶體結構的可控性。這種「長(cháng)材料」的新方法有望提升芯片的整合度和算力，為新一代電子和光子集成電路提供新的材料。這項突破性成果于5日在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

北大物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長(cháng)劉開(kāi)輝教授指出，傳統晶體制備方法的限制在于，原子的種類(lèi)、排布方式等需嚴格篩選才能堆積結合，形成晶體。隨著(zhù)原子數目不斷增加，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，更精細調控晶體生長(cháng)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(cháng)」的晶體制備新范式：先將原子在「地基」，即厘米級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(zhù)上方已形成晶體層生長(cháng)，不斷形成新的晶體層。

實(shí)驗證明，這種「長(cháng)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(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，提高了結構可控性。利用此新方法，團隊現已制備出硫化鉬、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。

「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(zhù)提高芯片集成度。在指甲蓋大小的芯片上，晶體管密度可大幅提升，從而實(shí)現更強大的運算能力?！箘㈤_(kāi)輝說(shuō)，此外，這類(lèi)晶體也可用于紅外線(xiàn)波段變頻控制，可望推動(dòng)超薄光學(xué)芯片的應用。