近日，上海大学张建华教授、张磊教授、王震宇副教授团队在二维材料晶圆级合成领域取得重要研究进展。相关成果以Epitaxial Growth of Wafer-scale 2D Superconductor Single Crystals by Metal-organic Chemical Vapor Deposition为题，发表在Nature Communications（《自然通讯》）上。该工作由上海大学王震宇副教授、博士生罗谈、史榴等人共同完成，张建华教授、张磊教授等人对本工作进行了指导，瑞士洛桑联邦理工学院Andras Kis教授、中科院半导体所张菁研究员等人也参与了本工作。
二维过渡金属硫族化合物（Two-dimensional transition metal dichalcogenides, TMDCs）因其原子级厚度、优异的电子输运特性以及在新一代纳米电子与光电子器件中的应用潜力而受到广泛关注。其中，金属性二维TMDCs（如NbS₂）不仅可作为半导体二维材料的理想二维接触电极，还为研究超导、电荷密度波（CDWs）和磁性等低温量子物性提供了重要平台。然而，受限于现有合成技术，在相纯度、晶体质量以及晶圆级可扩展性等方面长期存在瓶颈，严重制约了二维超导材料的基础研究与器件应用。
针对上述关键挑战，该研究首次实现了晶圆级二维超导TMDC单晶多层薄膜的外延生长。研究团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，在晶格匹配的蓝宝石衬底上，通过创新性的双前驱体协同调控策略，实现了NbS₂多层薄膜在晶圆尺度上的高度均匀生长与单晶外延。原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱、二次谐波（SHG）成像、低能电子衍射（LEED）以及扫描透射电子显微镜（STEM）等多种表征结果一致表明，所得薄膜为高质量、单一2H相的单晶结构。结合动力学生长模型，研究进一步揭示了自模板并发外延生长机制，为理解和调控二维金属TMDC的外延行为提供了重要理论支撑。
在器件层面，基于该NbS₂薄膜制备的器件在3 K以下表现出稳定的超导特性，并符合Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）型二维超导相变特征。统计结果显示，器件超导响应良率高达95.1%，电阻离散度仅为12%，充分体现了材料在晶圆尺度上的高度均一性与器件可靠性。此外，研究团队还进一步实现了晶圆级NbSe₂超导薄膜的MOCVD生长，其超导转变温度可达5 K，验证了该方法在不同二维超导体系中的通用性与可扩展性。
该工作在晶圆级二维超导单晶材料的可控制备、相选择性调控及高一致性器件集成方面取得了系统性突破，为二维TMDC超导材料在下一代电子器件、超导电路及量子器件中的应用奠定了关键材料基础，同时也为相工程化二维材料的设计与规模化制造提供了重要参考路径。
图文导读：
图1｜基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）的晶圆级NbS₂多层薄膜外延生长。a，NbS₂在2英寸c面蓝宝石上的四阶段外延生长过程示意图：（i）台阶边缘优先生核；（ii）自模板外延多层生长；（iii）畴并合与晶粒接合；（iv）连续外延薄膜的形成。b–e，与a中所示各生长阶段对应的原子力显微镜（AFM）及光学显微图像。（b）和（c）中的白色虚线表示蓝宝石衬底表面的原子台阶。c–e的比例尺均为30 μm。f，NbS₂自模板外延生长机制示意图。吸附原子既沿基面边缘方向生长（水平箭头），又在已有台阶表面生长（垂直箭头），从而实现横向扩展与纵向堆垛的同时进行。g，高分辨率AFM图像，显示受蓝宝石衬底原子台阶限制的单晶NbS₂畴。白色虚线表示蓝宝石衬底的原子台阶，正在生长NbS₂畴的高度约为3 nm。h，模拟计算得到的相图，展示随前驱体通量比Γ=Fseed/(Fgas+Fseed)与归一化表面扩散长度Λ=ℓ/L₀变化的生长区间。其中，Fseed表示来自旋涂NbCl₅层释放的初始Nb通量，Fgas为MOCVD过程中持续供给的气相前驱体通量，ℓ为吸附原子的表面扩散长度，L₀为初始晶核尺寸。
图2｜晶圆级NbS₂单晶薄膜。a，生长于2英寸蓝宝石衬底上的NbS₂薄膜实物照片。b，（i）NbS₂在蓝宝石基底上的原子力显微镜（AFM）图像。黄色方框所示区域为均方根（RMS）表面粗糙度计算区域。（ii）NbS₂在蓝宝石基底上的AFM图像，通过人为划痕显示NbS₂与蓝宝石衬底之间的高度对比。比例尺：1 μm。（iii）是（ii）中对应线段的高度剖面，显示NbS₂薄膜厚度约为6 nm。c，室温条件下在2英寸NbS₂样品上进行的拉曼线扫描谱图，共采集11个光谱，测量间距为5 mm。d，（ii）与（iii）分别为合并NbS₂畴区（比例尺：5 μm）和连续NbS₂薄膜区（比例尺：10 μm）的偏振分辨二次谐波（SHG）成像。（i）为（ii）中标示的三个区域对应的SHG强度极坐标图（角度单位：°）。e，在2英寸NbS₂薄膜不同位置采集的典型低能电子衍射（LEED）图样。f，NbS₂薄膜的扫描透射电子显微镜（STEM）图像，显示其2H多型堆垛的晶格结构及对应的快速傅里叶变换（FFT）图像。（iii）为（i）中黄色虚线框区域的放大图像，其中蓝色球表示Nb原子，黄色球表示S原子。
图3｜衬底引导的2H-NbS₂选择性生长机制。a，2H相与3R相NbS₂在蓝宝石衬底上的原子结构模型。两种相均由Nb原子处于三角棱柱配位构成，但在层间堆垛方式上存在差异。下方展示了2H-NbS₂与c面蓝宝石六方晶格之间的外延界面关系，突出其晶格对称性匹配特征。b，生长过程中结合能的计算示意图。其中，ΔE₁表示NbS₂在蓝宝石台阶边缘处的成核结合能，ΔE₂表示畴横向扩展过程中吸附原子“攀爬”台阶时的结合能。相较于3R相，2H-NbS₂在两种能量项上均表现出更有利的结合特性，表明其在成核及吸附原子的动力学方面具有优势。c，2H相与3R相NbS₂在蓝宝石台阶上的形成能比较。在薄膜厚度为6 nm时，2H相的形成能为−0.0835 eV，明显低于3R相的−0.0676 eV，从而解释了实验中观察到的高相纯2H-NbS₂生长结果。
图4｜晶圆级NbS₂薄膜的电学性能。a，将NbS₂薄膜转移至Si/SiO₂衬底后制备的多端器件阵列的光学显微图像。插图为单个多端器件的放大图。比例尺：100 μm。b，室温下NbS₂器件的四端电压–电流（V–I）特性曲线，对应电阻约为20 Ω。插图为四端测量示意图，其中V₁₂表示在探针1与2之间测得的电压，Vsd为源–漏电压，Isd为源–漏电流。比例尺：20 nm。c，（a）中所示1.2 × 0.9 cm²区域内共144个NbS₂器件的电阻（R₁₂）分布统计结果，测量温度为300 K。d，在零磁场条件下，NbS₂器件电阻（R₁₂）随温度变化的曲线，温度由200 K降至1.3 K。黄色虚线框标示了超导转变温度（Tc）附近的温区。e，在无磁场条件下（红色与灰色曲线）以及1 T磁场下（蓝色曲线），16个NbS₂器件从6 K冷却至1.3 K过程中的电阻变化。插图为16个NbS₂器件的Tc空间分布，显示其波动范围仅为±0.1 K，表明良好的器件一致性。f，无磁场条件下，不同温度（3.5 K至1.3 K）下NbS₂器件的四端V–I特性曲线。插图为（f）中V–I曲线的对数坐标重绘结果，显示V∝Iα的幂律行为，符合Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）模型的预期特征，对应的幂指数α以相同颜色标注。
文献信息：
Epitaxial growth of wafer-scale 2D superconductor single crystals by metal-organic chemical vapor deposition,(Nat.Commun.，2025，DOI：s41467-025-67886-z)
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67886-z
