晶體是科技發(fā)展的基石，也是現(xiàn)代計算機(jī)、通訊、航空、激光技術(shù)等領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料。制備完美的晶體通常依賴于使用小晶體模板，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，例如建造房屋，就是以地基為“種子”，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(jìn)而限制了晶體質(zhì)量。

北京大學(xué)科研團(tuán)隊首創(chuàng)并自主命名為“晶格傳質(zhì)-界面生長”的一種全新晶體制備方法，即“從界面生長，頂著上方結(jié)構(gòu)往上走”的“頂蘑菇”式的生長方式，可保證每層晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可控性。

“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。”北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長劉開輝認(rèn)為，這一成果標(biāo)志著我國在新型二維晶體研究領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，為我國在集成電子和光子芯片領(lǐng)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(jìn)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(jìn)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。”劉開輝告訴記者：“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(luò)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里的原子作為‘養(yǎng)分’。”

“這種生長方式也類似于德國慕尼黑寶馬大廈的建造過程：首先在地基上構(gòu)建頂部樓層結(jié)構(gòu)，再利用液壓千斤頂將整個頂部結(jié)構(gòu)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(zhì)量的晶體材料打開了新大門。利用這種創(chuàng)新方法，團(tuán)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(xué)芯片應(yīng)用，拓展其在光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。未來，科研團(tuán)隊將繼續(xù)深入研究，挖掘‘晶格傳質(zhì)-界面生長’范式的更多潛力，推動其在新材料制備、新應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。”劉開輝說。