清華-伯克利深圳學院成會明、劉碧錄團隊Chemical Reviews綜述：二維材料及其異質結構的化學氣相沉積法生長和應用

引言

二維材料因其豐富的材料種類及可調的電子、光電和化學性質，有望在未來電子和能源器件中發揮重要作用，此類材料近年來吸引了越來越多的關注和研究。此外，基于二維材料的異質結構，包括二維/二維、二維/一維、二維/零維（統稱2D/xD異質結構），通常表現出獨特的物理現象，是基礎研究和構建高性能器件的理想平臺。要實現這些目標，大規模可控制備高質量二維材料及其異質結構就顯得尤為重要。化學氣相沉積（CVD）是生長二維材料的重要方法之一，以CVD法生長二維材料在過去幾年取得了巨大的發展，目前已廣泛用于生長二維材料及其異質結構。然而，要實現各種高質量二維材料的可控制備，還面臨諸多挑戰。

近日，清華-伯克利深圳學院低維材料與器件實驗室成會明院士、劉碧錄研究員團隊受邀在知名綜述期刊Chemical?Reviews上發表了題為“Chemical Vapor Deposition Growth and Applications of Two-Dimensional Materials and Their Heterostructures”的綜述文章。該綜述從CVD方法的基本原理和反應過程出發，針對二維材料CVD生長面臨的挑戰，系統闡述了單晶二維材料，尤其是過渡金屬硫族化合物（TMDC）的生長機理及最新研究成果。在此基礎上，深入分析了生長晶圓尺寸連續、均勻二維材料薄膜的關鍵技術。論文進一步探討了各種二維材料異質結構的設計策略、生長技術，及其在電子、光電子、傳感器、柔性器件和電催化等領域的應用。最后，該論文指出了CVD生長二維材料及其異質結構的關鍵挑戰并提出了該領域未來的重要研究方向和機遇。

圖文簡介

?圖1.?綜述總覽圖。CVD生長二維材料大單晶、晶圓尺寸連續薄膜、異質結構及其應用

?圖2.?CVD反應基礎過程及反應參數（襯底、前驅體、溫度、壓力）調控

?圖3.?CVD生長二維材料單晶。從晶疇尺寸、層數、取向、形貌、物相、摻雜和缺陷的角度闡述二維材料單晶的可控生長

圖4.?CVD生長二維材料的科學技術路線圖

總結與展望

在過去的幾年里，CVD方法被廣泛應用于各種二維材料的生長，包括高質量單晶、連續薄膜、以及二維材料異質結構，在很大程度上實現了二維材料的可控制備，對其基礎研究和應用探索夯實了材料基礎。然而，相比于石墨烯，CVD制備TMDC仍處于初級階段，面臨著一些重大挑戰。如：
（1）CVD生長二維材料的機理認識不夠；
（2）晶圓級單晶材料的合成仍有待實現；
（3）二維材料異質結構還需從組成和結構上進一步拓展。

基于目前研究現狀，該文提出以下8個方面的研究方向。
1.CVD生長系統的創新
2.鹽輔助二維材料生長
3.高質量二維材料生長
4.二維材料大單晶和快速生長
5.具有新奇特物性的新型二維材料探索與生長
6.低溫生長二維材料及其在柔性器件應用
7.二維異質結的可控生長
8.高性能大規模電子/光電子器件制備

該綜述論文第一作者是清華-伯克利深圳學院2016級博士生蔡正陽，論文通訊作者為成會明院士和劉碧錄研究員。論文作者還包括鄒小龍研究員。

相關工作得到了國家自然科學基金委、中組部青年“千人計劃”、深圳市科創委、深圳市發改委等部門的支持。

實驗室簡介：清華—伯克利深圳學院“低維材料與器件實驗室”(The Low Dimensional Materials and?Devices Laboratory)主要從事低維材料的理論設計、可控生長及其在電子和能源器件領域的應用。本實驗室以成會明院士為實驗室主任，目前有4位PI（包括成會明教授、劉碧錄研究員，鄒小龍研究員、丘陵研究員）。

文獻鏈接：Chemical Vapor Deposition Growth and Applications of Two-Dimensional Materials and Their Heterostructures (Chem. Rev., 2018, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00536)

以上資料來自清華-伯克利深圳學院成會明、劉碧錄老師團隊，特此感謝！

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