從“蓋房子”到“頂竹筍”，我國(guó)科學(xué)家首創(chuàng)晶體制備新方法

▲圖為基于二維晶體的電子和光子集成電路（圖片來自參考消息）

作者:黃艷紅 黃湘紅 段躍初

在科學(xué)技術(shù)的廣袤天地里，每一項(xiàng)重大突破都如同璀璨星辰，照亮人類前行的道路。近日，我國(guó)科學(xué)家在晶體材料領(lǐng)域取得了一項(xiàng)突破性成果，首創(chuàng)了一種全新的晶體制備方法，為計(jì)算機(jī)、通訊、航空、激光技術(shù)等領(lǐng)域帶來了新的希望與可能。

晶體，這種看似普通卻又極為關(guān)鍵的材料，在現(xiàn)代科技中扮演著不可或缺的角色。從我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔X、手機(jī)，到航空航天設(shè)備、激光武器等高端裝備，晶體都是其中至關(guān)重要的組成部分。一直以來，傳統(tǒng)制備大尺寸晶體的方法是在晶體小顆粒表面“自下而上”層層堆砌原子，就好像“蓋房子”一樣，從地基開始逐層“砌磚”，最終搭建而成。

然而，隨著科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)方法的局限性日益凸顯。在傳統(tǒng)晶體制備過程中，原子的種類、排布方式等都需要經(jīng)過嚴(yán)格篩選才能堆積結(jié)合形成晶體。但隨著原子數(shù)量的不斷增加，原子的排列逐漸變得不受控制，雜質(zhì)和缺陷也不斷累積，這嚴(yán)重影響了晶體的純度和質(zhì)量，成為制約相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。

圖為用“晶格傳質(zhì)-界面生長(zhǎng)”新方法制備晶圓級(jí)二維晶體（圖片來自參考消息）

為了打破這一困境，北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)展開了深入研究和探索，最終在國(guó)際上首創(chuàng)出一種全新的晶體制備方法——“晶格傳質(zhì) - 界面生長(zhǎng)”。這一方法形象地來說，就像是“頂著上方結(jié)構(gòu)往上走”的“頂竹筍”一樣，為晶體生長(zhǎng)帶來了全新的思路和模式。

具體來說，北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)首先將原子在“地基”，也就是厘米級(jí)的金屬表面排布形成第一層晶體。隨后，新加入的原子進(jìn)入金屬與第一層晶體之間，頂著上方已形成的晶體層生長(zhǎng)，不斷形成新的晶體層。這種獨(dú)特的生長(zhǎng)方式使得晶體層架構(gòu)速度達(dá)到了每分鐘 50 層，層數(shù)最高可達(dá) 1.5 萬(wàn)層。

更令人驚嘆的是，通過這種新方法生長(zhǎng)出的晶體，每層的原子排布完全平行、精確可控，有效地避免了缺陷的積累，極大地提高了晶體結(jié)構(gòu)的可控性。利用此新方法，科研團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已成功制備出硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等 7 種高質(zhì)量的二維晶體，這些晶體的單層厚度僅為 0.7 納米，相比目前廣泛使用的 5 - 10 納米的硅材料，具有更加優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)這些二維晶體被應(yīng)用于集成電路中晶體管的材料時(shí)，能夠顯著提高芯片的集成度。想象一下，在指甲蓋大小的芯片上，晶體管的密度大幅提升，計(jì)算能力將會(huì)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。這意味著我們的電子設(shè)備將變得更加小巧、高效、強(qiáng)大，為人工智能、大數(shù)據(jù)處理、虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的硬件支持。

此外，這些新型晶體還可用于紅外波段變頻控制，為超薄光學(xué)芯片的應(yīng)用提供了新的可能。在未來，我們或許能夠看到更加輕薄、高效的光學(xué)設(shè)備，如高分辨率的攝像頭、先進(jìn)的激光雷達(dá)等，為通訊、醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域帶來革命性的變化。

這一突破性成果于 7 月 5 日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志，引起了國(guó)際科學(xué)界的廣泛關(guān)注和高度贊譽(yù)。它不僅展示了我國(guó)科學(xué)家在晶體材料領(lǐng)域的深厚研究實(shí)力和創(chuàng)新能力，也為全球晶體材料的研究和發(fā)展注入了新的活力。

我國(guó)科學(xué)家的這一重大創(chuàng)新成果，再次證明了科技創(chuàng)新是推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步的重要力量。在未來的日子里，我們有理由相信，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷完善和推廣應(yīng)用，它將為我們的生活帶來更多的便利和驚喜，為人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。

讓我們?yōu)槲覈?guó)科學(xué)家的這一杰出成就點(diǎn)贊，期待他們?cè)谖磥淼目蒲械缆飞先〉酶嗟耐黄菩猿晒?，為?shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)，為推動(dòng)人類科技進(jìn)步和文明發(fā)展，不斷貢獻(xiàn)智慧和力量！