克日，，，，j9九游会张建华教授、张磊教授、王震宇副教授团队在二维质料晶圆级合成领域取得主要研究希望。。。。。相关效果以Epitaxial Growth of Wafer-scale 2D Superconductor Single Crystals by Metal-organic Chemical Vapor Deposition为题，，，，揭晓在Nature Communications（《自然通讯》）上。。。。。该事情由j9九游会王震宇副教授、博士生罗谈、史榴等人配合完成，，，，张建华教授、张磊教授等人对本事情举行了指导，，，，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加入了本事情。。。。。

二维过渡金属硫族化合物（Two-dimensional transition metal dichalcogenides, TMDCs）因其原子级厚度、优异的电子输运特征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普遍关注。。。。。其中，，，，金属性二维TMDCs（如NbS?）不但可作为半导体二维质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主要平台。。。。。然而，，，，受限于现有合成手艺，，，，在相纯度、晶体质量以及晶圆级可扩展性等方面恒久保存瓶颈，，，，严重制约了二维超导质料的基础研究与器件应用。。。。。

针对上述要害挑战，，，，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。。。。。研究团队接纳金属有机化学气相沉积（MOCVD）要领，，，，在晶格匹配的蓝宝石衬底上，，，，通过立异性的双前驱体协同调控战略，，，，实现了NbS?多层薄膜在晶圆标准上的高度匀称生长与单晶外延。。。。。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）等多种表征效果一致批注，，，，所得薄膜为高质量、简单2H相的单晶结构。。。。。连系动力学生长模子，，，，研究进一步展现了自模板并发外延生长机制，，，，为明确和调控二维金属TMDC的外延行为提供了主要理论支持。。。。。

在器件层面，，，，基于该NbS?薄膜制备的器件在3 K以下体现出稳固的超导特征，，，，并切合Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）型二维超导相变特征。。。。。统计效果显示，，，，器件超导响应良率高达95.1%，，，，电阻离散度仅为12%，，，，充分体现了质料在晶圆标准上的高度均一性与器件可靠性。。。。。别的，，，，研究团队还进一步实现了晶圆级NbSe?超导薄膜的MOCVD生长，，，，其超导转变温度可达5 K，，，，验证了该要领在差别二维超导系统中的通用性与可扩展性。。。。。

该事情在晶圆级二维超导单晶质料的可控制备、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超导质料在下一代电子器件、超导电路及量子器件中的应用涤讪了要害质料基础，，，，同时也为相工程化二维质料的设计与规模；；；；圃焯峁┝酥饕慰悸肪。。。。。

图文导读：

图1｜基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）的晶圆级NbS?多层薄膜外延生长。。。。。a，，，，NbS?在2英寸c面蓝宝石上的四阶段外延生长历程示意图：（i）台阶边沿优先生核；；；；；（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）中的白色虚线体现蓝宝石衬底外貌的原子台阶。。。。。c–e的比例尺均为30 μm。。。。。f，，，，NbS?自模板外延生长机制示意图。。。。。吸附原子既沿基面边沿偏向生长（水平箭头），，，，又在已有台阶外貌生长（笔直箭头），，，，从而实现横向扩展与纵向堆垛的同时举行。。。。。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NbS?畴。。。。。白色虚线体现蓝宝石衬底的原子台阶，，，，正在生长NbS?畴的高度约为3 nm。。。。。h，，，，模拟盘算获得的相图，，，，展示随前驱体通量比Γ=Fseed/(Fgas+Fseed)与归一化外貌扩散长度Λ=?/L?转变的生长区间。。。。。其中，，，，Fseed体现来自旋涂NbCl?层释放的初始Nb通量，，，，Fgas为MOCVD历程中持续供应的气相前驱体通量，，，，?为吸附原子的外貌扩散长度，，，，L?为初始晶核尺寸。。。。。

图2｜晶圆级NbS?单晶薄膜。。。。。a，，，，生长于2英寸蓝宝石衬底上的NbS?薄膜实物照片。。。。。b，，，，（i）NbS?在蓝宝石基底上的原子力显微镜（AFM）图像。。。。。；；；；粕娇蛩厩蛭礁≧MS）外貌粗糙度盘算区域。。。。。（ii）NbS?在蓝宝石基底上的AFM图像，，，，通过人为划痕显示NbS?与蓝宝石衬底之间的高度比照。。。。。比例尺：1 μm。。。。。（iii）是（ii）中对应线段的高度剖面，，，，显示NbS?薄膜厚度约为6 nm。。。。。c，，，，室温条件下在2英寸NbS?样品上举行的拉曼线扫描谱图，，，，共收罗11个光谱，，，，丈量间距为5 mm。。。。。d，，，，（ii）与（iii）划分为合并NbS?畴区（比例尺：5 μm）和连续NbS?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NbS?薄膜差别位置收罗的典范低能电子衍射（LEED）图样。。。。。f，，，，NbS?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，，，，其中蓝色球体现Nb原子，，，，黄色球体现S原子。。。。。

图3｜衬底指导的2H-NbS?选择性生长机制。。。。。a，，，，2H相与3R相NbS?在蓝宝石衬底上的原子结构模子。。。。。两种相均由Nb原子处于三角棱柱配位组成，，，，但在层间堆垛方式上保存差别。。。。。下方展示了2H-NbS?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，，，，生长历程中连系能的盘算示意图。。。。。其中，，，，ΔE?体现NbS?在蓝宝石台阶边沿处的成核连系能，，，，ΔE?体现畴横向扩展历程中吸附原子“攀爬”台阶时的连系能。。。。。相较于3R相，，，，2H-NbS?在两种能量项上均体现出更有利的连系特征，，，，批注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NbS?在蓝宝石台阶上的形成能较量。。。。。在薄膜厚度为6 nm时，，，，2H相的形成能为?0.0835 eV，，，，显着低于3R相的?0.0676 eV，，，，从而诠释了实验中视察到的高相纯2H-NbS?生长效果。。。。。

图4｜晶圆级NbS?薄膜的电学性能。。。。。a，，，，将NbS?薄膜转移至Si/SiO?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NbS?器件的四端电压–电流（V–I）特征曲线，，，，对应电阻约为20 Ω。。。。。插图为四端丈量示意图，，，，其中V??体现在探针1与2之间测得的电压，，，，Vsd为源–泄电压，，，，Isd为源–泄电流。。。。。比例尺：20 nm。。。。。c，，，，（a）中所示1.2 × 0.9 cm?区域内共144个NbS?器件的电阻（R??）漫衍统计效果，，，，丈量温度为300 K。。。。。d，，，，在零磁场条件下，，，，NbS?器件电阻（R??）随温度转变的曲线，，，，温度由200 K降至1.3 K。。。。。；；；；粕橄呖虮晔玖顺甲湮露龋═c）周围的温区。。。。。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NbS?器件从6 K冷却至1.3 K历程中的电阻转变。。。。。插图为16个NbS?器件的Tc空间漫衍，，，，显示其波动规模仅为±0.1 K，，，，批注优异的器件一致性。。。。。f，，，，无磁场条件下，，，，差别温度（3.5 K至1.3 K）下NbS?器件的四端V–I特征曲线。。。。。插图为（f）中V–I曲线的对数坐标重绘效果，，，，显示V∝Iα的幂律行为，，，，切合Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）模子的预期特征，，，，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