【每日话题】真中国创造！我国首创“长材料”晶体制备新方法

1万 · 2024-7-8 10:13

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晶体，作为计算机、通讯、航空及激光技术等前沿领域的核心基石，其大尺寸制备一直是技术突破的关键。传统方法如同建造高楼，从小颗粒表面逐步累加原子层，层层堆叠直至形成完整晶体，这一过程面临诸多挑战，如原子排列易失控、杂质与缺陷累积，限制了晶体质量的提升。

北京大学科研团队在晶体制备领域取得了革命性进展，他们创新性地提出了一种颠覆性的“晶格传质-界面生长”技术。这一方法让晶体生长如同“顶竹笋”般向上延伸，实现了原子层在特定界面上的高效、有序堆积，极大提升了晶体结构的可控性与生长速度。此成果不仅标志着晶体材料制备技术的一次飞跃，还预示着电子和光子集成电路性能的全新飞跃，相关研究成果已于7月5日在国际权威期刊《科学》上在线发表。

用“晶格传质-界面生长”新方法制备晶圆级二维晶体

据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，该新技术突破了传统方法的局限，通过在厘米级金属基底上精心排列原子以构建初始晶体层，随后新加入的原子巧妙地在金属与晶体层间“插入”，推动晶体持续向上生长，每层晶体均保持高度平行且原子排列精准无误，有效遏制了缺陷的生成。

实验数据显示，这种新方法使得晶体生长速率惊人，每分钟可新增50层，累积层数可达1.5万层之巨，且每层质量均达到前所未有的高标准。基于此技术，研究团队已成功合成了包括硫化钼、硒化钼、硫化钨等在内的七种高质量二维晶体，其单层厚度薄至仅0.7纳米，相比传统硅材料的5至10纳米厚度，展现出巨大的应用潜力。

基于二维晶体的电子和光子集成电路

“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。”刘开辉说。此外，这些晶体在红外波段变频控制方面的独特性能，也为超薄光学芯片的发展开辟了新路径，预示着信息技术领域的又一次重大变革。