從「蓋房子」到「頂竹筍」 陸科學家首創晶體制備新方法

從「蓋房子」到「頂竹筍」：大陸科學家首創晶體制備新方法。圖爲基於二維晶體的電子和光子積體電路（新華社╱受訪者提供）

新華社6日報導，晶體是電腦、通訊、航空、雷射技術等領域的關鍵材料。傳統制備大尺寸晶體的方法，通常是在晶體小顆粒表面「自下而上」層層堆砌原子，好像「蓋房子」，從地基逐層「砌磚」，最終搭建成「屋」。

北京大學科研團隊在國際上首創出一種全新的晶體制備方法，讓材料如「頂着上方結構往上走」的「頂竹筍」一般生長，可保證每層晶體結構的快速生長和均一排布，極大提高了晶體結構的可控性。這種「長材料」的新方法有望提升晶片的整合度和算力，爲新一代電子和光子積體電路提供新的材料。這項突破性成果於5日在線發表於《科學》雜誌。

北大物理學院凝聚態物理與材料物理研究所所長劉開輝教授指出，傳統晶體制備方法的限制在於，原子的種類、排布方式等需嚴格篩選才能堆積結合，形成晶體。隨着原子數目不斷增加，原子排列逐漸不受控，雜質及缺陷累積，影響晶體的純度品質。爲此，急需開發新的製備方法，以更精確控制原子排列，更精細調控晶體生長過程。

爲此，劉開輝及其合作者原創提出名爲「晶格傳質-界面生長」的晶體制備新範式：先將原子在「地基」，即釐米級的金屬表面排布形成第一層晶體，新加入的原子再進入金屬與第一層晶體間，頂着上方已形成晶體層生長，不斷形成新的晶體層。

實驗證明，這種「長材料」的獨特方法可使晶體層架構速度達到每分鐘50層，層數最高達1.5萬層，且每層的原子排布完全平行、精確可控，有效避免了缺陷積累，提高了結構可控性。利用此新方法，團隊現已製備出硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等7種高品質的二維晶體，這些晶體的單層厚度僅爲0.7奈米，而目前使用的矽材料多爲5到10奈米。

「將這些二維晶體用作積體電路中晶體管的材料時，可顯著提高晶片集成度。在指甲蓋大小的晶片上，晶體管密度可大幅提升，從而實現更強大的運算能力。」劉開輝說，此外，這類晶體也可用於紅外線波段變頻控制，可望推動超薄光學晶片的應用。