有望推动光电探测发展，科学家实现一维全同半导体条带阵列制造
近期，中国人民大学刘灿副教授、北京大学刘开辉教授与合作者们先后发表 2 篇 Science，并被审稿人评价为“低维材料制造领域里程碑式的工作”，而这背后是团队近四年的努力和持续的技术攻关。
研究人员创新性地设计了一种“多重界面耦合原子制造”策略，不仅实现特定手性结构，还能够实现相干极化方向的二硫化钨条带制造，从而使得一维半导体阵列的“全同”控制成为可能 [1]。
在另一项研究中，他们首次提出“晶格传质-界面外延”的菱方相二维晶体制备新范式 [2]，这种生长方式突破了二维材料表面生长中的层数自限制、堆垛结构不可控等局限性。
例如，能够快速生长二维单晶，速率达到 50 层/分钟；除此之外，还可控制逐层的单一方向，从而保证各层完全平行，最终达到厚层菱方相二维晶体结构。
“这是传统表面生长方法长期以来难以突破的关键技术壁垒，该研究为新型功能化晶体的精准原子制造提供了新思路。”刘灿表示。
图丨刘灿（来源：中国人民大学物理学院）
碳纳米管、纳米带等一维材料发展至今 30 余年来，由于其结构多样性及复杂性，导致其精准结构，尤其是手性指数和螺旋结构等原子尺度的控制，极其困难。
在该研究中的“多重界面耦合原子制造”策略具体表现为：
二硫化钨（WS2）晶格排布方式与 WS2-蓝宝石外延界面耦合直接相关；条带轴向方向受钨酸钠（Na2WO4）前驱体-蓝宝石原子级台阶耦合作用限制；条带的单一极化排布方向在 WS2-Na2WO4 前驱体耦合作用下被锁定。
为控制表面原子级的台阶和晶格排列的相互关系，研究人员精确地设计了特定晶面的蓝宝石基底，使 WS2 条带能够实现精确的原子级制造，包括扶手椅型、之字型、手性结构（含左手手性、右手手性）等。
（来源：Science）
在研究初期，当研究人员看到完全平行的条带阵列时，非常兴奋。
刘灿表示：“受启发于早期在一维碳纳米管阵列的研究基础，当我们看到平行排布的 WS2 阵列总是伴随着尖端颗粒，就马上联想到类似碳管的由催化剂颗粒为起点进行的生长模式。”
而且，它们的方向，总是受到 a 面蓝宝石氧密排原子级台阶限制，这也是超密碳管阵列的排布规律。
经过手性结构指认，研究人员所获得的 WS2 条带全部是之字型的。但事实上，仅仅是这种非手性的阵列不足为奇。
直到后来，伴随领域科学家对二维体系外延单晶的控制制备机理的深入探究，研究人员意识到，或许可以将这种二维材料的设计思路“反向”用在解决一维材料的问题。
于是，他们尝试利用衬底晶格“锁定”晶格方向，利用台阶“引导”条带方向。尝试后，发现效果非常显著，并能够按照预期去控制各类结构。
“那天看到结果出来时，我们都非常激动，一直讨论到深夜。”刘灿回忆道。
图丨具有可控手性与相干极性 WS2 条带阵列制造及自发光电流集成输出（来源：Science）
需要了解的是，该研究中的“全同”制造，与量子力学中“全同”的概念并不相同。
物理中的“全同”是指，不同粒子在所有可观测物理属性上完全相同的特性。
而该研究借用“全同”概念，是想表达 WS2 条带的特征物理属性是一致的，包括：阵列中所有 WS2 条带的方向、手性结构、极性方向等。
在此之前，同时控制这么多参量，在一维领域是极具挑战、长期以来很难实现的事情。
日前，相关论文以《具有可控手性与相干极性的二硫化钨条带阵列》（WS2 ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity）为题，发表在 Science 上 [1]。
北京大学博士生薛国栋和郭泉林、博士后周子琦、昆明理工大学左勇刚副教授是共同第一作者，北京大学刘开辉教授、中国人民大学刘灿副教授、中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员和中国科学院深圳先进技术研究院丁峰研究员为共同通讯作者。
图丨相关论文（来源：Science）
高密度排布的平行一维阵列，是集成光电芯片高效能量收集及转化的前提。
具有可控手性与相干极性的 WS2 条带阵列，有望推动自驱动光电探测及新机理太阳光伏等领域的技术发展。
未来，研究人员将更加关注一维材料中的相关物态及性能研究，例如，丰富的边缘态、极限尺寸晶体管以及非常规光伏器件等。
在另一项研究中，研究人员发展了一种“晶格传质-界面外延”生长二维叠层晶体的新方法。
首先，原子通过衬底的晶格传输到衬底表面，形成“第一层晶体”。之后，新增的原子持续地以晶格为介质，传输到衬底与首层晶体的界面空间。
最后，顶着此前已经形成的、位于上方的晶体层进行生长，并以这种方式持续地形成新的晶体层。
值得关注的是，在二维单晶表面外延生长中的各种表面调控手段，例如，台阶调控晶畴的单一取向、不同晶畴间的无缝拼接等，都能够在该界面中得以保留。
也就是说，每一层晶体都是在同一个衬底表面上被加工出来的，相当于从相同模板复刻出来的“同胞兄弟”。
这些层彼此之间平行排布，在上层晶体的共同作用下，会形成一个特殊的菱方相晶体结构。
“制备该结构的要求非常苛刻，往往无法通过表面生长直接获得，而我们的‘晶格传质-界面外延’为其提供了可能性。”刘灿说。
图丨发展“晶格传质-界面外延”生长新范式，制备晶圆级菱方相二维过渡金属硫族化合物单晶（来源：Science）
二维过渡金属硫族化合物（TMD，Transition Metal Dichalcogenides）具备超薄的厚度、层数依赖的能带结构、高载流子迁移率等特性，在新一代先进制程电学器件方面表现出应用潜力。
该研究制备的是从单层到 15000 层的 TMD 材料，最为重要的是，TMD 层间是完全平行取向排布的，层间构成 3R 菱方相的堆垛结构。
这类 3R-TMDs 的少层在电学方面，具有高载流子迁移率和高电流密度的优势，是 5nm 以下技术节点集成电路的理想沟道材料。
该研究中的单层、双层、三层硫化钼的迁移率分别高达 137cm2 V−1 s−1、155cm2V−1 s−1 和 190cm2 V−1 s−1，达到国际器件与系统路线图 2028 年半导体器件迁移率目标。
相较于常见的六方相 2H-TMDs，3R-TMDs 独特的堆垛结构带来了更多样化的特性。
例如，界面极化反转的铁电性、高能效体光伏效应和相干增强非线性光学响应等。
微米级厚层 3R-TMDs 在准相位匹配条件下，实现了近红外波段高能效差频转换效率，较单层提升了 5 个数量级。
最终，相关论文以《多层菱方相过渡金属硫族化合物单晶的界面外延》（Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals）为题发表在 Science 上 [2]。
北京大学博士生秦彪和郭泉林、博士后马超杰，中国科学院物理研究所博士生李修瑧是共同第一作者，北京大学刘开辉教授、中国人民大学刘灿副教授、中国科学院物理研究所张广宇研究员为共同通讯作者。
图丨相关论文（来源：Science）
接下来，研究人员将继续挖掘这种材料制备新范式的可能性，在高质量二维晶体，尤其是面向光学晶体非线性频率转化应用的晶体制备和技术创新方向持续探索。
结合该课题组此前提出的转角相位匹配理论和该材料的优势，他们将进一步探索开发小型化、集成化光电器件及光子芯片的可能性。
参考资料：
1.Xue,G. et al. WS2 ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity. Science 384, 6700,1100-1104(2024). https://doi/10.1126/science.adn9476
2.Qin,B. et al. Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals. Science 385, 6704，99-104(2024). https://doi.org/10.1126/science.ado6038
排版：刘雅坤
王守武：中国半导体科学事业的“拓荒者”
陈丽娟 吕科伟
王守武(1919.3.15—2014.7.30)，江苏苏州人，半导体器件物理学家，中国科学院学部委员(院士)。1945年赴美国普渡大学深造，1946年获硕士学位，1949年获博士学位。1950年归国。1960年加入中国共产党。曾任中国科学院半导体研究所副所长(兼任109厂厂长)、微电子研究所名誉所长。曾荣获国家科技进步奖二等奖，多次获得中国科学院科研成果一等奖和科技进步奖二等奖，以及何梁何利基金科学与技术进步奖。
王守武是我国半导体研究的“拓荒者”、半导体事业的奠基者之一。他在研究与开发中国半导体材料、半导体器件及大规模集成电路方面作出了重要贡献，是我国第一台单晶炉、第一根锗单晶、第一只锗晶体管、第一只激光器的研制者与组织领导者。他的这些成就，为我国半导体科技事业的发展奠定了坚实基础。
留学美国，后以“难民”身份回国
少年时期的王守武，正值国家风雨飘摇之际，战争的阴霾与民生的疾苦深深触动了他。1930年，年仅11岁的他在《民智》第11期上发表《我们现在和将来的责任》，字字铿锵，呼唤“诸位朋友，你们要救中国……还愿将来努力救国、努力富国、努力强国”，不仅映照出那个时代青年学子的共同心声，更展现了他个人的壮志凌云，那就是求得真学问，用所学救国、富国、强国。1945年，王守武赴美普渡大学攻读工程力学，硕士毕业后继续深造，于1949年2月获博士学位，并应普渡大学工程力学系主任之聘任土木系助教。在攻读博士期间，他于1948年5月与同窗葛修怀女士喜结连理。婚后，王守武家成为普渡大学中国留学生交流祖国近况的聚集地，邓稼先便是常客之一。同时，作为芝加哥中国留美科学工作者协会普渡分会的干事，邓稼先积极传播国内信息，动员留学生回国建设。受邓稼先影响，王守武也频繁参与留美科协活动，并计划回国参加建设，贡献自己的力量。
1950年，随着朝鲜战争的爆发，中美之间关系趋于严峻紧张。面对局势，王守武毅然放弃教职回国，决定用所学去建设自己的祖国。然而，当时中美尚未建立正式外交关系，护照办理遭遇难题。后来，他通过留美科学工作者协会得知，印度驻美使馆受新中国政府委托处理中美民间事务。
1950年7月，王守武以“回乡侍奉孤寡母亲”为由，以二哥王守融来信为证，通过印度驻美使馆协助，办理了以难民身份回国的相关手续。9月，王守武夫妇满怀报国热情与科学梦想，抱着未满周岁的女儿，搭乘“威尔逊总统号”客轮从旧金山启程回国。10月，抵达香港，经转深圳，回到苏州。在王守武一家的行李中，有几个沉甸甸的箱子，里面装满了工具和零部件，包括变压器、电钻、万用电表等。王守武回忆说，“1950年回国的时候，我没有什么打算，只是觉得新中国刚成立，想为国家建设做点贡献。……干什么都可以，什么都能干”。
披荆斩棘，受命拓荒半导体研究
王守武回国初期即敏锐洞察到国际半导体科学的新动态，预言“半导体放大器的进一步发展将全面地革新电子学设备的面貌，在国民经济上的意义极为重大”。20世纪50年代，全球半导体产业方兴未艾，中国尚属空白。1956年，王守武与其他上千名科学家，共同参加周恩来总理亲自主持的“全国十二年科学技术发展远景规划的讨论会”。在讨论阶段，王守武与施汝为、黄昆等科学家力陈发展半导体科学技术的重要性及其对我国工农业和国防的重大意义。后来，《1956—1967年科学技术发展远景规划》将半导体科学技术列为四项紧急措施之一。中国科学院迅速响应，成立我国首个半导体研究室，并任命王守武为主任，开启了我国半导体研究的先河。
接受任务后，王守武当即中断其他科研项目，全身心投入半导体研究的拓荒工作。他不仅通过科学报告会等形式积极普及半导体知识，强调其在国民经济中的关键作用，还亲自参与并指导实验，推动研究深入。从1956年至1960年，半导体研究室在王守武的带领下取得了显著成果：成功研制出我国首根锗单晶、合金结锗晶体管、金键二极管，并实现了锗单晶的实用化。同时，还拉制出我国第一根硅单晶，并推动其实用化进程。此外，还成功研制出我国首支锗合金扩散高频晶体管，为科技发展奠定了坚实基础。
原中国科学院党组书记、副院长张劲夫在回忆时谈到：“……第二代计算机出来了，晶体管的，科学院半导体所搞的。从美国回来搞半导体材料的林兰英和科学家王守武、工程师王守觉两兄弟，是他们做的工作。第二代计算机，每秒数十万次，为氢弹的研制作了贡献。”
1960年，受命筹建中国科学院半导体研究所，半导体研究所正式成立后被任命为副所长，负责全所科技业务管理和分支学科的组建工作。1962年，美国用砷化镓半导体材料制成了第一只激光器，在世界上产生了广泛而深远的影响。王守武敏锐地抓住时机，开始组织半导体所向这一方向进行探索。1963年，他组建了半导体激光器研究室，先后领导并参与了中国第一台半导体激光器的研制，实现半导体激光器的连续激射，并开展半导体负阻激光器以及激光应用的研究工作，为我国在这个领域的技术进步奠定了基础。
挂帅攻克集成电路成品率难关
集成电路，即通常所说的“芯片”，是将电路所需的晶体管、二极管、电阻、电容等元件集成在微小半导体硅片上的电子器件。1964年，中国半导体所成功研制出首批集成电路，但至20世纪70年代，我国在该领域的研制与生产已远落后于国际水平。彼时，国内仅少数单位能仿制出每片近千位的大规模集成电路样品，且成品率极低，难以投入实际生产。
面对这一严峻挑战，1977年邓小平在全国自然科学学科规划会议上明确提出：“一定要把大规模集成电路搞上去”。响应中央号召，中国科学院随即展开深入研究，然而进展缓慢，半导体所超净线团队虽全力以赴，4千位大规模集成电路的成品率问题仍未得到有效解决。鉴于此，1978年10月，中国科学院决定邀请王守武全面负责提升集成电路成品率的任务，以期在这一关键领域取得突破。
王守武上任后重新组织人员，调来了包括吴德馨在内的一批技术骨干，着手分析成品率低的原因。从稳定工艺入手，组织研究人员逐一改进、稳定设备。然后对使用的原材料和试剂进行分析提纯，以达到可使用的指标。最后，建立了一套操作规程和管理制度，并要求严格执行。到1979年9月，他们做出的三种版图的大规模集成电路样品的成品率都提高到了20%以上，达到了预定目标。该项研究为解决我国大规模集成电路管芯成品率问题提供了宝贵经验，于1980年获得中国科学院科技成果奖一等奖。
王守武后来兼任中国科学院109工厂厂长职务，开展4千位大规模集成电路的推广工作，从事提高成品率、降低成本的集成电路大生产试验。他大胆采用最新工艺和无显影光刻技术，以一个电视机用的集成电路品种进行流片试生产，一次就取得了芯片成品率达50%以上的可喜成果，比国内其他研制单位的成品率高出三四倍。这一成就赢得了1985年中国科学院科技进步奖二等奖，后被授予国家级科技进步奖。1987年，王守武凭借深厚的专业底蕴与前瞻视野，提出的“世界新技术革命和我国的对策”荣获国家科学技术进步奖二等奖。1990年，王守武在给政协第七届全国委员会第三次会议提案时指出，“要想发展我国的微电子工业，光靠引进是不行的”“想从西方国家引进先进的微电子技术和装备纯属幻想”“我们必须以自力更生为主来加速发展我国的微电子工业”。这些建议彰显了他的远见卓识，以及对国家科技自立自强的担当和情怀。
王守武不仅致力于科研创新，还兼任多所高校的重要职务，深切关爱后辈，为中国半导体与集成电路事业培养了大量杰出人才。
“半世纪半导体从无到有半生精力献祖国，一辈子一个劲日以继夜一往追求无止境，一生间勤奋耕耘满腹智慧众人称，八十年清风飞渡世上荣辱从不争。”这是弟弟王守觉院士在王守武八十岁生日时题写的贺词。它深刻描绘了王守武为我国半导体科学事业奋斗一生的历程，也是他对党、国家、人民和科学事业无限忠诚的生动写照。
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