二维材料具有原子级的厚度、 优异的电子传输及光电特性等新颖物理特性， 是发展高性能电子与光电子器件的理想载体， 有望延续传统硅基半导体工业“摩尔定律”， 进一步提升芯片晶体管集成密度。 然而，制备高质量的二维材料的工艺温度普遍较高，远超过标准半导体 CMOS（互补型金属氧化物半导体）芯片制程工艺的温度限制， 这严重制约了二维材料与硅基集成电路的集成应用。虽然可以通过引入额外机械转移工艺实现二维材料的集成，但通过机械转移方法制备的样品不仅难以控制产物形貌尺寸，耗时低效，并且常在材料界面引入化学杂质，导致材料性能的明显衰退，难以规模化应用。因此，实现高质量二维材料的低温直接生长是推进其在半导体领域实际应用的理想解决方案。

近日，温州大学化学与材料工程学院张礼杰等人针对二维材料及异质结与半导体芯片单片集成面临的温度限制难题，在二维材料及其异质结的低温可控生长与低温生长机理方面，首先发展了范德华衬底辅助低温外延生长策略，实现了系列二维金属碘化物（ PbI2、CdI2、BiI3、CuI）在较低温度下的可控生长，结合理论计算，揭示了扩散势垒对二维碘化物生长的影响规律，为低温生长高质量二维材料提供了策略和理论指导，该研究成果发表在在材料领域国际权威学术期刊《Advanced Functional Materials》。

图1 ：范德华衬底协同二维碘化物低温原位替代生长二维金属硫化物及光电性能

在此基础上，张礼杰研究员等设计了一种普适性的范德华衬底协同二维碘化物低温原位替代生长方法，实现了 17 种高质量二维金属硫化物及其异质结的超低温可控生长（≤ 400℃），结合理论计算，阐明了超低温原位替代生长机理，揭示了硫元素替换碘元素的低取代势垒微观本质，并且在＜ 400℃下实现了多种二维材料及其异质结的大面积阵列集成，为二维材料与半导体芯片后端制造工艺的温度兼容性问题提供了一种可行性方案，为二维材料及其异质结的单片集成提供了一种新思路。该研究成果以“Epitaxial substitution of metal iodides for low-temperature growth of two-dimensional metal chalcogenides”为题目发表在在Nature 子刊《Nature Nanotechnology》，温州大学为共同通讯单位，温州大学化材学院张礼杰、香港大学Lain-Jong Li、香港科技大学罗正汤、广东工业大学黄少铭为共同通讯作者，温州大学化材学院青年教师赵梅为共同第一作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01326-1