近日，太阳成tyc7111cc王金兰教授团队在二维半导体外延生长动力学调控机制方面取得重要进展，与苏州实验室/南京大学王欣然教授团队合作，基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，通过氧辅助策略精准调控生长动力学，解决了传统MOCVD技术中碳污染、晶畴尺寸小、迁移率低等挑战，成功突破了6英寸（150毫米）过渡金属硫化物二维半导体单晶量产核心技术，为二维半导体从实验室推向产业化迈出关键一步。该工作以“Kinetic control of transition-metal dichalcogenide growth by oxygen-assisted MOCVD”为题，于1月29日在线发表于《Science》期刊。
图1.王金兰教授（左3）团队与王欣然教授（右3）团队合影。
二硫化钼（MoS2）等过渡金属硫化物二维半导体因具有原子级厚度、极限尺度高迁移率和低功耗等特性，是延续摩尔定律的理想材料。然而其产业化制备面临两大瓶颈：实验室级别的化学气相沉积（CVD）虽能生长高质量单晶，但尺寸和均匀性不足，且可重复性差；而传统MOCVD技术虽可规模化生产，却因反应动力学限制，通常只能生成低品质多晶材料，缺陷密度高，电子迁移率低。二维半导体大尺寸单晶的普适性量产技术一直未能突破，是制约该领域发展的关键瓶颈之一。
王金兰教授团队基于第一性原理计算模拟，系统揭示了传统MOCVD技术的反应动力学瓶颈。计算结果表明，传统MOCVD中Mo(CO)6的硫化反应能垒高达2.02 eV，严重限制了生长速率，导致晶畴尺寸仅达纳米级，并引入碳污染。团队进一步研究发现，通入氧气后，反应路径发生根本性转变：Mo(CO)6和CS2与氧气发生预反应，生成三氧化钼（MoO3）和单质硫作为活性中间体。该策略实现了对生长动力学的精准调控—与传统路径相比，它将放热反应的焓变绝对值提升了15倍，并将反应能垒从2.02 eV显著降低至1.15 eV，从而将前驱物反应速率提高了约3个数量级；同时，该策略从根源上抑制了含碳中间体形成，从而彻底规避碳污染，确保材料超高纯度，这为MoS2大尺寸、高品质单晶外延生长提供了基础理论支撑，为后续工艺设计提供了明确方向。
图2.传统MOCVD和oxy-MOCVD生长MoS2的（a）动力学过程及其（b-e）表征和电学性质。
基于上述理论机制，王金兰教授团队与苏州实验室/南京大学王欣然教授团队紧密协作，将“氧辅助重构反应路径”的核心思想转化为可产业化的oxy-MOCVD技术方案。团队创新设计预反应腔结构，实现氧气与前驱体（Mo(CO)6、CS2）的精准混合与预氧化，高效生成理论预测的MoO3和单质硫活性中间体，该过程复现了理论预测中“无碳中间体生成”的关键机制，从根源杜绝碳污染。实验结果显示，新方案使MoS2晶畴生长速率较传统MOCVD大幅提升，单个晶畴尺寸从百纳米级提升至数百微米（最大达260 μm），并实现沿特定晶向的单向有序排列，解决了二维半导体大面积均匀生长的量产化难题。电学性能测试进一步印证了理论优势：基于oxy-MOCVD生长的6英寸MoS2单晶制备的场效应晶体管阵列，最高电子迁移率达123 cm2·V-1·s-1（较传统MOCVD提升10倍以上），开关比达109。这一成果不仅验证了“动力学调控提升材料质量”的理论预测，更标志着二维半导体单晶量产核心技术取得实质性突破，为其在集成电路、柔性电子及传感器等领域的规模化应用奠定了材料基础。
东南大学博士毕业生，现苏州实验室博士后董瑞康为共同第一作者，太阳成tyc7111cc王金兰教授为共同通讯作者。该工作东南大学部分受到了国家自然科学基金创新研究群体、重点项目、优青项目和江苏省前沿引领技术基础研究专项资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec7259