上图：原位观测CVD系统的示意图。配备光学窗口的红外加热炉，用于使用光学显微镜观察腔室内部。

研究人员观察到熔融前驱体液滴如何驱动超薄半导体晶体的原子级生长

二维半导体因其独特的特性已成为未来电子器件极具潜力的候选材料。然而，尽管研究兴趣浓厚，控制高质量二维半导体晶体的生长仍然是一个重大的科学和技术挑战。

现在，由日本冈山大学电气与通信工程系的广尾铃木（Hiroo Suzuki）领导的研究团队，联合信州大学的香岛薰（Kaoru Hisama）和庆应义塾大学的藤井骏（Shun Fujii），通过直接观察二维半导体在原子尺度上的生长过程，克服了一个关键障碍。

利用先进的原位观测系统，研究人员捕捉到了单层过渡金属二硫化物（TMDCs）在微受限反应空间内形成的实时图像。

这项名为《微观反应器内部：单层TMDCs气-液-固生长的原位实时观测》（Inside the Microreactor: In Situ Real-Time Observation of Vapor–Liquid–Solid Growth of MonolayerTMDCs）的研究于2025年12月12日发表在《先进科学》（Advanced Science）期刊上。

这项工作建立在该团队之前使用基底堆叠微反应器合成大面积单层TMDC单晶的成功基础上。虽然该方法能稳定生产高质量材料，但人们对晶体在受限空间内的生长机制知之甚少。

铃木表示：“我们能够制造出极好的晶体，但我们并不确切知道它们是如何形成的。没有这种理解，就很难为特定的器件应用可靠地设计材料。”

为了解决这一空白，研究人员开发了一种红外加热的化学气相沉积（CVD）系统，使他们能够观察晶体生长的实时过程。通过仔细调节前驱体浓度和硫供应量，他们识别出了具有不同晶体形状和行为的多种生长状态。

在某些条件下，形成了传统的三角形晶体。在其他条件下，大型六边形晶体迅速扩展，熔融前驱体液滴积聚在其边缘。在富硫环境中，带状晶体出现，并响应基底的原子级特征发生弯曲和改变方向。

最引人注目的观察结果之一是熔融前驱体液滴的动态行为。团队发现，硫的掺入降低了前驱体的熔点和表面张力，增加了液滴的流动性。

这些液滴通过表面张力梯度（即马兰戈尼效应）在基底上迁移，并持续将材料输送到生长中的晶体中。

香岛解释说：“看着液滴移动并直接促进晶体生长是一个转折点。它让我们确认了以前仅被推断的生长机制。”

通过揭示晶体形状和质量如何依赖于生长条件，该研究为以史无前例的精度工程化二维半导体提供了一个实用的框架。这种控制对于克服当前半导体集成电路的局限性至关重要，因为仅靠硅材料已难以实现进一步的微型化和能效提升。

研究人员表示，其影响超出了传统电子学的范畴。精确工程化的二维半导体可以带来更快、更节能的智能手机，柔性及可穿戴传感器，以及紧凑的本地发电设备。

从长远来看，这些发现可能支持为人工智能和“万物互联”系统开发高度集成、低能耗的半导体平台，包括医疗保健和福利部门的先进监测技术。

铃木强调了这项研究的意义：“这项研究表明，直接观测是实现真正材料控制的关键。通过理解二维半导体如何生长，我们可以从原子级别向上设计下一代电子器件。”

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