2025年7年9日，南京大学王欣然教授课题组联合苏州实验室、东南大学等单位，在国际学术期刊《Nature Materials》发表题为 “Homoepitaxial growth of large-area Rhombohedral-stacked MoS₂” 的研究论文，报道了晶圆级菱方相（3R相）二硫化钼（MoS₂）的同质外延生长，并展示了铁电器件及存储应用。该成果标志着二维材料可控制备的重要突破，为二维材料多功能异质集成带来新机遇。
二维半导体因其原子级厚度、高迁移率及三维集成兼容性，成为后硅时代延续摩尔定律和构建三维集成电路的重要候选材料。王欣然教授课题组长期致力于二维过渡金属硫族化物（TMDC）可控生长，在面内取向控制、层数控制、及堆垛控制方面取得系列成果：创建TMDC定向外延生长理论，揭示蓝宝石衬底表面原子台阶诱导的TMDC 形核机制，确立定向外延关系，在国际上首次突破晶圆级二维半导体单晶外延制备 (Nature Nanotech., 16, 1201 (2021))；提出台阶高度调控形核层数的思想，突破TMDC 层数精确控制技术，首次制备出大面积均匀双层MoS₂（Nature, 605, 69 (2022))。在本工作中，进一步突破二维半导体的堆垛控制，实现3R堆垛MoS₂可控制备，为物理特性调控和器件研究开辟了全新的研究维度。
在二维材料中，所谓“堆垛”指的是原子层之间的排列方式。如果把一层MoS₂看作一张纸，堆垛就像一沓纸可以以不同的旋转角度或不同的滑动方式堆叠，不同的堆垛方式使得原子之间的相对位置发生改变，这在纳米尺度上会显著影响材料的电子结构与物理性质。近年来备受关注的“魔角”（即层间小角度旋转），被认为是一种特殊的人工构筑的堆垛形式。在自然界中，MoS₂最常见的堆垛有两种：六方相（2H）和菱方相（3R），后者因为其缺乏中心对称性，展现出卓越的非线性光学、谷电子学以及铁电特性，特别适合用于构建新型存储器和光电子器件。然而，由于2H与3R结构在热力学上几乎同等稳定，在生长中难以严格控制堆垛方式，这是二维材料制备领域的重大挑战之一。
为攻克这一难题，研究团队使用同质外延策略。采用高质量单层单晶MoS₂作为外延衬底，通过精准调控过渡金属前驱体浓度，成功实现了具有纯3R相的多层MoS₂晶圆的制备（图1）。借助人工智能图像识别技术，对堆垛结构进行自动化识别与统计分析，证实3R相占比接近100%。从微观到宏观尺度，通过截面和平面扫描透射电子显微镜（STEM）、超低频拉曼光谱和二次谐波产生（SHG）等多手段对制备的多层MoS₂进行堆垛表征，全面验证了所制材料的3R相一致性。
图1 晶圆级菱方相多层MoS₂
为深入揭示3R相选择性形成机制，研究团队联合东南大学王金兰教授团队开展理论计算，结果表明晶体缺陷中的Mo替位S缺陷（Mos）能够有效打破2H与3R相的能量简并状态，从而在热力学层面促使3R堆垛优先形核生长。实验上，团队聚焦形核初期阶段，采用高分辨率STEM对<10 nm的团簇进行观测，证实Mos缺陷对3R选择性生长的促进作用（图2）。基于理论与实验的交叉验证，团队提出了同质外延中的缺陷促进选择性形核的生长机制，这一理论的提出，为二维材料的结构调控提供了全新的思路。
图2 菱方相MoS₂生长机理
在器件应用方面，该工作揭示了3R-MoS₂的滑移铁电性（图3）。实验利用压电响应力显微镜（PFM）清晰观测到材料中的铁电畴结构及明显的压电响应回滞曲线，并构建了基于双层3R-MoS₂沟道的超薄铁电晶体管阵列。器件在转移特性曲线中呈现明显的逆时针回滞行为，进一步印证其非易失铁电调控能力。尽管沟道材料厚度仅为1.3 nm，其仍表现出超过十年的数据保持能力、优异的电导特性以及16位多态写入能力，为未来高密度、低功耗、非易失存储器件的三维异质集成提供了可能。
图3 菱方相MoS₂的铁电性
该研究工作由南京大学和苏州实验室牵头完成。论文共同第一作者包括电子科学与工程学院2019级博士生刘蕾（现任苏州实验室博士后）、集成电路学院李涛涛副教授、东南大学博士生龚晓曙及电子科学与工程学院2021级博士生温恒迪。王欣然教授为论文通讯作者，东南大学王金兰教授在本工作中给予了重要支持与帮助。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项等项目的资助，以及新基石科学基金会科学探索奖和雅辰基金对本研究的支持。
