晶體是科技發(fā)展的基石，也是現(xiàn)代計算機、通信、航空、激光技術等領域不可或缺的關鍵材料。制備完美的晶體通常依賴於使用小晶體模板，即以“晶體種子”作為生長起點，隨后原子在其表面有序堆積，逐漸形成更大的晶體，這如同建造房屋，打好地基后，從下往上逐層砌磚，最終建出完整的建筑。然而，這種自下而上的表面堆砌原子生長方式存在一定局限性，不僅限制了晶體種類多樣性，也會隨著原子數(shù)目不斷增加，缺陷逐漸累積，進而限制了晶體質量。

北京大學科研團隊首創(chuàng)一種全新的晶體制備方法，並自主命名為“晶格傳質-界面生長”，這是一種從界面生長，頂著上方結構往上走的“頂蘑菇”式的生長方式，可保証每層晶體結構的快速生長和均一排布，有效避免缺陷的積累，極大提高了晶體結構可控性。相關研究成果以《多層菱方相過渡金屬硫族化合物單晶的界面外延》為題日前在《科學》雜志在線發(fā)表。

“利用新方法，制備出的二維晶體單層厚度僅為0.7納米，可以用作極限尺度的電子集成電路?！北本┐髮W物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長劉開輝表示，這一成果標志著我國在新型二維晶體研究領域取得了重要進展，為我國在集成電子和光子芯片領域的創(chuàng)新發(fā)展提供了有力支持。

“這是一種顛覆傳統(tǒng)晶體生長方式的晶體制備新范式。在制備過程中，原子首先在金屬表面，即‘地基’上排布形成‘第一層晶體’﹔接著，新加入的原子通過埋在‘地基’下方的晶格，傳輸進入‘地基’與‘第一層晶體’之間的‘縫隙’，然后頂著上方已形成的晶體層進行生長，不斷形成新的晶體層。這和自然界中很多植物的生長方式類似，就像‘頂蘑菇’一樣?！眲㈤_輝介紹，“從另一個角度來看，‘頂蘑菇’的比喻也很貼切。蘑菇是通過地表下的菌絲網(wǎng)絡汲取養(yǎng)分，而晶體制備，則需要通過埋在‘地基’下方且溶解到金屬晶格裡的原子作為‘養(yǎng)分’?！?/p>

“這種生長方式也類似於德國慕尼黑寶馬大廈的建造過程：首先在地基上構建頂部樓層結構，再利用液壓千斤頂將整個頂部結構逐漸推高，而后在下方逐步建造新的樓層。”劉開輝表示，晶體制備新方法為人類解鎖更多種類、更多功能、更高質量的晶體材料打開了新大門。利用這種創(chuàng)新方法，團隊已經(jīng)制備出硫化鉬、硒化鉬及硫硒化鉬合金材料等一系列二維晶體。

“此外，通過‘頂蘑菇’頂出一萬多層，可以讓光在每一層晶體上一起‘跳集體舞’，從而實現(xiàn)對光的變頻控制，有望推動超薄光學芯片應用，拓展其在光子學領域的應用潛力。未來，科研團隊將繼續(xù)深入研究，挖掘‘晶格傳質-界面生長’范式的更多潛力，推動其在新材料制備、新應用領域的廣泛應用?！眲㈤_輝說。（記者晉浩天）

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