中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-002）——表界面单原子调控制备高品质二维半导体材料
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工作简介
在半导体器件不断向小型化、柔性化及高度集成化发展的主流趋势下，以过渡金属硫族化合物（TMDs）为代表的二维半导体材料，显示出独特的优势。它不仅具有超薄厚度（单原子或少原子层），而且表现出优异的电学、光学、力学、电化学及多自由度可调控性，使其在柔性电子、光电探测和气体传感等领域极具应用潜力，被国际半导体联盟在2015年的技术路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）中誉为是下一代半导体器件的核心材料。而半导体材料的晶体质量是影响器件性能的关键因素之一。二维TMDs中的晶格缺陷（晶界和S空位）将引起能带结构、晶体结构和激子传输的变化，进而影响器件的性能。目前，二维TMDs单晶晶圆的制备虽然已经实现，但是如何进一步降低其缺陷密度实现更高品质二维半导体材料的规模化制备以满足未来超高性能半导体器件发展要求，是二维半导体材料应用领域面临的重大挑战。
北京大学王恩哥院士、刘开辉教授，南方科技大学俞大鹏院士及其合作者针对目前常规方法中采用升华硫单质制备的二维半导体TMDs中存在高密度的硫空位点缺陷的问题，提出了一种表界面硫族单原子供应制备高品质二维TMDs及其合金的新方法。该方法通过设计局域空间，在反应表界面上引入硫族化合物（ZnS、ZnSe、ZnTe）高温释放出的活性硫族单原子，精确调控其与过渡金属原子的反应，有效修复材料缺陷，成功实现低缺陷密度（MoS2，~2 × 1012 cm−2）、优异光学（MoS2，~92% 的PL旋光偏振极化率）和电学特性（MoS2-FET devices，~42 cm2V−1s−1的平均载流子迁移率和~108的开关比）的单层MX2（M=Mo、W；X=S、Se、Te）晶圆制备，并首次报道了含有三种硫族元素四元合金MoS2(1-x-y)Se2xTe2y的可控合成。理论研究表明，相比常规方法中参与反应的硫族多聚体(S2)，硫族单原子具有更高的化学活性和吸附能，可以促进前期形核过程和硫族空位点缺陷有效修复愈合；同时，单原子更高的反应能使其更容易取代其他同族元素，有利于多元合金的制备。该研究成果为高品质二维半导体TMDs的调控生长及其多元高熵合金的设计制备提供了新的思路，有望打通二维半导体材料在未来柔性电子、光电探测以及高灵敏气体传感器件等领域规模化应用的最后壁垒。
相关研究成果以“Robust growth of two-dimensional metal dichalcogenides and their alloys by active chalcogen monomer supply”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。左勇刚、刘灿、丁利苹、乔瑞喜为论文共同第一作者；北京大学刘开辉、韩国基础科学研究院丁峰、中国科学院物理研究所白雪冬和北京大学博士后刘灿为共同通讯作者。
图1. a 硫族单原子供应制备过渡金属硫族化合物示意图；b 普适性制备不同种类TMDs；c 两英寸晶圆级高品质单层MoS2 。
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作者简介
刘开辉，现任北京大学物理学院教授，博士生导师。
主要从事低维材料生长机理及光谱物理相关研究。近年来，在二维材料表界面生长调控、米级单晶薄膜通用制造技术、表界面耦合物理及器件方向取得了系列研究进展。已发SCI 论文100余篇，其中包括通讯作者文章Nature (2篇)、Nature Nanotechnology (6篇)、Nature Photonics (2篇)、Nature Chemistry、Nature Communications (6篇)等；获得2021年科学探索奖、2020年国家杰出青年基金和2019年北京市自然科学基金杰出基金等人才项目资助；担任国家重点研发计划课题负责人、Science Bulletin副主编。
丁峰，韩国蔚山国立科技研究院杰出教授，韩国基础科学院多维碳材料研究中心理论组组长。
分别在1993、1996和2002年在华中科技大学、复旦大学和南京大学的物理专业获得本科、硕士和博士学位。2003年-2008年先后在瑞典哥德堡大学、查尔姆斯理工大学和美国莱斯大学从事碳材料的理论研究。2009年加入香港理工大学，2017年受聘于韩国蔚山国家科学技术研究所，担任杰出教授，IBS-CMCM担任组长。主要的研究方向是各种碳材料和二维材料的计算方法开发、理论探索，特别是其形成机制、成核、生长和蚀刻的动力学研究。截止目前丁峰教授发表了超过270篇SCI论文，其中发表在 Nature 4篇、Science 2篇、Nat. Mat. /Nat. Nano. 5篇、Nat. Comm./Sci. Adv./PNAS 16篇，并且在 PRL/JACS /Angew. Chem. Int. Ed./Adv. Mat.等期刊上的论文超过40篇。所发表论文共被引用了>17000次（Google Scholar），h指数是71。
白雪冬，中科院物理研究所研究员.
从事原位电子显微学方法与材料研究，自主研制完成多种原位电镜测量表征装置，在纳米制备与表征、动态离子成像和材料结构-性质调控研究方面做出了系统性学术成绩。发表论文230余篇，h指数大于60，授权发明专利15项。曾主持完成国家重大科学研究计划等项目；取得了杰青、万人计划领军人才等项目支持；获得中国物理学会胡刚复奖、国家自然科学二等奖。
刘灿，现任中国人民大学物理系研究员。
2019年博士毕业于北京大学前沿交叉学科研究院，之后在北大物理学院从事博士后研究，2022年入职中国人民大学。主要从事低维材料的表界面调控及纳米光谱学研究。在国际顶级期刊 Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、 Nature Communications 等发表一作及通讯作者文章11篇。曾获2020年度未来女科学家计划、北京市优秀毕业生、北京大学优秀毕业生等荣誉称号。
左勇刚，现任昆明理工大学冶金与能源工程学院特聘教授。
2017年博士毕业于中国科学院大学材料科学与光电技术学院，之后在中科院物理研究所和北京大学进行联合培养博士后研究。2021年入职昆明理工大学。主要从事二维纳米材料及复合材料的制备、表征和应用研究。在国际顶级期刊Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Communications、Nano Letter等共发表文章19篇，其中第一作者4篇。
丁利苹。
从2010年开始，师从四川大学原子分子所邝小渝教授，从事纳米团簇、一维纳米线及二维材料设计与性质计算方面的研究工作，研究成果得到了国内外专家的认可。2019-2021年，跟随韩国蔚山丁峰教授从事博士后研究工作，并至今保持紧密合作关系。先后入选陕西高校“青年杰出人才支持计划”、“陕西省科协青年人才托举计划”，先后以第一完成人身份荣获“陕西省科学技术奖”三等奖、“陕西省高等学校科学技术奖”二等奖。近年来，先后主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省教育厅等项目。授权国家发明专利7件。在国内外SCI期刊发表论文50余篇，其中一作23篇，一作包括13篇发表在国际顶级杂志上（包括J. Am. Chem. Soc. 1篇、 Nat. Commun. 1篇、 ACS. Nano. 1篇、 J. Phys. Chem. Lett. 1篇、 Chem. Mater. 1篇、 Nanoscale Horiz. 1篇、 Inorg. Chem. 4篇、 J. Phys. Chem. C 2篇、 J. Mater. Sci. Technol. 1篇）。
乔瑞喜，北京大学“博雅”博士后。
2014年本科毕业于西安交通大学。2019年在北京大学物理学院获博士学位。2019年起至今在北京大学从事博士后研究，长期从事低维材料结构、性质的电子显微学研究，特别关注材料调控制备生长机理等。在Nature、Nature子刊、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters等高水平期刊上共发表文章24篇，其中第一作者5篇，包括Nature、Nature Communications等。
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原文传递
详情请点击论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28628-7
《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
半导体学报公众号
微信号 : JournalOfSemicond
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