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半导体领域突破性成果!我国科学家首创

晶体是科技发展的基石,也是现代计算机、通讯、航空、激光技术等领域不可或缺的关键材料。

制备完美的晶体通常依赖于使用小晶体模板,即以“晶体种子”作为生长起点,随后原子在其表面有序堆积,逐渐形成更大的晶体,例如建造房屋,就是以地基为“种子”,从下往上逐层砌砖,最终建出完整的建筑。Fpiesmc

然而,这种自下而上的表面堆砌原子生长方式存在一定局限性,不仅限制了晶体种类多样性,也会随着原子数目不断增加,缺陷逐渐累积,进而限制了晶体质量。Fpiesmc

北京大学科研团队首创并自主命名为“晶格传质-界面生长”的一种全新晶体制备方法,即“从界面生长,顶着上方结构往上走”的“顶蘑菇”式的生长方式,可保证每层晶体结构的快速生长和均一排布,有效避免缺陷的积累,极大提高了晶体结构可控性。Fpiesmc

“利用新方法,制备出的二维晶体单层厚度仅为0.7纳米,可以用作极限尺度的电子集成电路。”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认为,这一成果标志着我国在新型二维晶体研究领域取得了重要进展,为我国在集成电子和光子芯片领域的创新发展提供了有力支持。Fpiesmc

“这是一种颠覆传统晶体生长方式的晶体制备新范式。在制备过程中,原子首先在金属表面,即‘地基’上排布形成‘第一层晶体’;接着,新加入的原子通过埋在‘地基’下方的晶格,传输进入‘地基’与‘第一层晶体’之间的‘缝隙’,然后顶着上方已形成的晶体层进行生长,不断形成新的晶体层。这和自然界中很多植物的生长方式类似,就像‘顶蘑菇’一样。”刘开辉告诉记者:“从另一个角度来看,‘顶蘑菇’的比喻也很贴切。蘑菇是通过地表下的菌丝网络汲取养分,而晶体制备,则需要通过埋在‘地基’下方且溶解到金属晶格里的原子作为‘养分’。”Fpiesmc

“这种生长方式也类似于德国慕尼黑宝马大厦的建造过程:首先在地基上构建顶部楼层结构,再利用液压千斤顶将整个顶部结构逐渐推高,而后在下方逐步建造新的楼层。”刘开辉表示,晶体制备新方法为人类解锁更多种类、更多功能、更高质量的晶体材料打开了新大门。利用这种创新方法,团队已经制备出硫化钼、硒化钼及硫硒化钼合金材料等一系列二维晶体。Fpiesmc

“此外,通过‘顶蘑菇’顶出一万多层,可以让光在每一层晶体上一起‘跳集体舞’,从而实现对光的变频控制,有望推动超薄光学芯片应用,拓展其在光子学领域的应用潜力。未来,科研团队将继续深入研究,挖掘‘晶格传质-界面生长’范式的更多潜力,推动其在新材料制备、新应用领域的广泛应用。”刘开辉说。Fpiesmc

责编:Elaine
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