二维材料，尤其是过渡金属二硫族化合物（TMDCs），因其独到的电学、光学及机械性能，比年来受到庸碌怜惜。其中，二硫化钼（MoS₂）因其在电子学、光电子学及自旋电子学等鸿沟的雄伟应用后劲而备受注意。在晶圆要领上顺利合成单晶单层MoS₂，对于其在大范围器件阵列中的执行应用至关首要。蓝对峙（α-Al2O3）因其优异的晶体瓦解性及六方名义对称性hongkongdoll video，在半导体工业中被庸碌应用，同期提供了较为匹配的晶格参数，为TMDCs的外延孕育提供了优胜的平台。

尽管此前在α-Al2O3衬底上终了单晶MoS2的外延孕育已赢得一定发达，举例现时庸碌取舍的衬底台阶工程战术，该顺序时常依赖于对基底名义进行精准调控，如绸缪特定的斜切角或在高温条目下进行退火管束，以优假名义态状。然而，该战术在执行应用中仍然濒临较大的可肖似性挑战，这主要归因于衬底名义制备的高度复杂性，以及非要领化实验条目与孕育参数对最终孕育恶果的弗成估量性。既往研究不雅察到朦胧的界面层，谋划可能是α-Al2O3名义末端结构或硫/钼钝化层，但当今缺少径直的实考据据，这对真切意会孕育机制以及优化孕育工艺的瓦解性和质地仍然存在一定的限制。

基于以上问题，西湖大学工学院孔玮团队与中山大学李华山团队初次在原子要领上精准瓦解了孕育界面的原子构型。咱们发现界面处存在周期性的三氧化钼（MoO3）分子层，该层通过范德华外延形势孕育在单个Al原子末端的α-Al2O3衬底上。这一发现与先前对于名义断绝和界面原子构型的报说念存在骨子互异。所提议的结构在能量上高度瓦解，其原子间距与实验不雅测齐全吻合，确证了界面原子构型的正确性。进一步研究发现，情色电影种子MoO3掩饰层可增强MoS₂与衬底的相互作用，并在孕育名义变成独到的一重对称性原子胪列，从而促进MoS2畴的单向对王人。

新战术终显着以二硫化钼为代表的二维半导体单晶晶圆在商用绝缘体衬底上的外延孕育，为基于二维半导体的大范围工业化应用提供了坚实的材料基础。联系责任以“Interfacial Atomic Mechanisms of Single-crystalline MoS2 Epitaxy on Sapphire”为题发表于Advanced Materials。

图1 α-Al2O3(0001)上连气儿单晶MoS2单层膜的表征

通过集成微分相衬扫描透射电子显微镜 （iDPC-STEM）时间，研究者们不雅察到了单层单晶MoS2与α-Al2O3(0001)之间的界面原子结构，发现相较于改动的材料，孕育的MoS2与衬底界面之间存在一层稀疏的周期性原子结构。这一新发现揭示了CVD孕育经过中界面原子重构的独到机制，标明MoS2与α-Al2O3(0001)衬底之间变成了新的界面相，该发现填补了TMDCs与α-Al2O3(0001)衬底界面原子级表征的空缺，为意会TMDCs孕育中的界面相互作用提供了径直实考据据。

图2MoS2/MoO3/α-Al2O3(0001)的原子结构细目

结合密度泛函表面（DFT）与X射线光电子能谱表征（XPS）发现界面由一层周期性的分子MoO3中间层构成，通过范德瓦尔斯外延孕育在单个Al末端的α-Al2O3(0001)名义。诈欺表面+实验细目了界面结构，咱们大略分析MoO3中间层怎样调控外延孕育的结晶质地和取向。

图3MoO3中间层促进电荷改动增强了MoS2与基底之间的相互作用

通过DFT计较，研究者们发现MoO3中间层促进了MoS2与基底之间的电荷改动。具体来说，MoO3中间层通过增多电荷改动，权贵增强了MoS2与衬底之间的界面耦协力。这一增强的界面相互作用使得MoS2在孕育经过中愈加瓦解，同期大略促进材料的外延质地进步。进一步的实验考据，取舍AFM探针刮痕法测得层间含有MoO3的MoS2/α-Al2O3(0001)的界面粘附力较强。

这一发现的首要酷爱酷爱在于，增强的界面耦协力不仅不错进步MoS2的孕育瓦解性和单晶质地，还使得MoS2更容易受到衬底的调控。这一恶果为二维材料与衬底之间的相互作用提供了新的意会，举例，衬底名义的轻微变化，如温度、压力或名义管束，都可能对MoS2的孕育经过产生权贵影响。咱们大略在孕育经过中精准法则界面的电子结构，进而终了对材料性能的淡雅退换，为未来的2D材料工程提供了愈加机动和可控的战术。

图4MoS2三角形畴择优取向的机制

层间的MoO3通过裁减α-Al2O3(0001)名义的对称性，促进了MoS2畴的单向胪列。结合DFT计较与改变实验条目，研究者们展示了层间MoO3在促进单晶MoS2变成经过中的首要作用。具体而言，MoO3中间层通过退换基底名义的电子结构，权贵提高了MoS2的孕育标的性，从而终显着单晶畴的定向胪列。这一发现的酷爱酷爱在于，它为单晶MoS2的可控孕育提供了一个定量的要领，尤其是在层间MoO3的掩饰率和含量方面。通过精准法则MoO3层的掩饰进程，不错终了对MoS2孕育经过的灵验调控，进而优化单晶的孕育质地。

研究亮点

1.通过iDPC-STEM时间径直不雅察到了单层单晶MoS2与蓝对峙之间的界面原子结构，界面由一层周期性的分子MoO3中间层构成，通过范德华外延孕育在单Al末端的蓝对峙名义。2.MoO3中间层通过促进电荷改动，增强了MoS2与衬底界面相互作用。3.MoO3中间层将α-Al2O3名义的6重对称性裁减到1重对称性，从而促进了MoS2的单向胪列，通过不雅察MoO3掩饰度，研究者们提议了一种基于MoO3掩饰率测量的定量监测与孕育能源学法则战术，该顺序不依赖于特定的孕育条目与实验建造。该研究为提高材料质地和工艺肖似性提供了首要路子，并为α-Al2O3衬底上过渡金属硫族化合物单晶外延孕育的真切意会奠定了表面基础。

本研究的第一作家为西湖大学-浙江大学连合培养博士生陈涵，西湖大学科研助理季琛与深圳作事时间大学陈雨轩进修担任共同第一作家，西湖大学工学院特聘研究员孔玮、中山大学李华山涵养、西湖大学助理研究员朱华泽为本研究通信作家。该责任得到了西湖大学未来产业研究中心和西湖训诫基金的资助解救。

论文勾通：

https://doi.org/10.1002/adma.202414317