研究背景

二维原子晶体（2DACs）是指厚度仅为单原子层的材料，例如层状过渡金属硫化物（TMDs），因其优异的电子性能和独特的物理性质而成为了研究热点。然而，在实际应用中，二维原子晶体面临一系列挑战，如合成过程中厚度、尺寸的可控性、层间耦合、异质结构界面、晶体相和空间位置的精准控制等。尤其是大面积均匀性异质结构和超晶格的晶圆级生长、任意基底上的周期性异质结构的位选择性生长以及低温下高质量二维异质结构的合成，都存在显著困难。

有鉴于此，湖南大学段曦东团队、加州大学洛杉矶分校段镶锋团队等人通过化学气相沉积（CVD）技术改进二维原子晶体的合成控制，尝试解决这些问题。他们发现，二维材料制备在大面积单晶、二维横向和纵向异质结构、超晶格以及位置控制生长方面取得了一定的进展。这些研究不仅推动了二维材料领域的快速发展，还为实际应用奠定了基础。然而，尽管取得了显著进展，依然需要进一步突破合成过程中的关键技术，以满足未来在量子光子器件、新量子现象探索及下一代电子光电子应用中的需求。以上成果在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Towards the scalable synthesis of two-dimensional heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking”的最新综述论文。    

本文亮点

1. 实验指出，科学家实现了大面积单晶二维原子晶体（2DACs）的合成，得到了均匀的层状结构和高质量的单晶材料。通过改进化学气相沉积（CVD）技术，成功制备了大面积、单层厚度的二维材料，展现出优异的电子性能和结构一致性。

2. 研究人员能够精确调控异质结构的层间耦合、界面质量和晶体相，成功制造出高质量的二维超晶格和位置控制生长的异质结构。这些进展推动了二维材料在实际应用中的发展，但仍面临挑战，如晶圆级异质结构的均匀生长、位选择性生长和低温下的高质量合成等问题。

3. 实验通过综合材料科学、化学和工程领域的知识，推动了二维材料的合成技术向前发展，揭示了在可控性、可扩展性和均匀性方面的关键问题。这些研究为设计量子光子器件、探索莫尔材料中的新量子现象（如Wigner晶体状态和Mott绝缘体）以及实现下一代电子和光电子应用奠定了基础。 

图文解读

图1：CVD 合成二维 TMDs 和异质结构的挑战。

图2：2D 横向异质结构和超晶格的合成。

图3：二维垂直异质结构和莫尔超晶格的合成。    

图4：二维垂直超晶格。

图5：位置控制生长。

结论展望

本文揭示了控制CVD合成过程中的关键因素对于推进完全二维原子晶体（2DACs）及其异质结构在实际技术应用中的重要性。通过对二维原子晶体合成的进展进行总结，作者认识到，实现大面积均匀性、精确控制层间耦合、异质结构界面和晶体相的调控，是推动这一领域向前发展的核心。尽管已有显著进展，但诸如大面积异质结构和超晶格的均匀生长、在任意基底上选择性生长周期性异质结构、控制扭转角的双层合成以及与集成电路工艺兼容的低温合成等挑战，仍需克服。    

未来的研究需要跨学科合作，结合材料科学、化学和工程学的知识，深入理解和精确控制二维材料的成核和生长过程。只有这样，才能有效推进二维原子晶体在量子光子器件、新量子现象探索以及下一代电子和光电子设备中的应用。这不仅推动了基础科学的前沿发展，也为实际应用提供了坚实的技术基础。

原文详情：

Li, J., Yang, X., Zhang, Z. et al. Towards the scalable synthesis of two-dimensional heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking. Nat. Mater. (2024).

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01989-8