二维半导体，Nature！

PART. 1

导语

半导体沉积中，成核决定晶体在何时、何处、以何种方式形成，而成核位置一直是随机的，这长期制约着晶体材料的确定性构筑。Park等人在Nature发表的工作用刻蚀通量介导的单中心成核回应了这个问题：让阻挡层释放的氧在图形内形成横向刻蚀通量，把成核位点收敛到图形中心，等于把选区生长从"限定沉积区域"推进到了"指定单个晶核位置"。[1]

这项研究用系统实验讲清了成核机理，并依据工艺时间、生长区尺寸与MOCVD条件，把零成核、单成核、多成核三种状态整理成一套可复用的设计规则。对做二维材料生长、器件集成与结构表征的人来说，成核由此从"经验试错"变成了"规则可算"。[1]

PART. 2

背景

区域选择性生长靠生长区与阻挡区之间的反应速率差来限定沉积位置，在选择性外延、选择性金属化、区域选择性原子层沉积里已大量应用，后来也被搬到二维过渡金属硫族化合物的选择性化学气相沉积上。但传统做法仍有一处明显短板：整个生长区都充当核活性区，成核事件在区域内随机出现，单晶尺寸上不去，空间位置也控不住。[1]

针对这个短板，该团队把氧化铪做成刻蚀通量阻挡层，用它释放的氧在图形内产生横向刻蚀通量，抑制靠边界的成核，把有效成核位点压到图形中心。与传统面外结合能选择不同，这是一种面内的空间控制，阻挡材料也从"被动隔离"变成了"主动供氧"。[1]

图1 | 二维单层MoS2的刻蚀通量介导单中心成核（EF-SCN）。a，基于成核阻挡层的选择性生长示意：多成核（左）、随机位置单成核（中）、单中心成核（右）。b、c，基于结合能差的传统选择性生长（b）与基于横向刻蚀通量阻挡层（c）的机制对比。d、e，阵列尺度SEM图像，对应初始阶段（d）与完全生长阶段（e）。f、g，单中心成核与横向生长（f）以及大尺寸单晶（g）的SEM图像。（图片来源：P1 Fig.1, Nature 658, 399, 2026）

PART. 3

主文献研究设计与关键方法

在750 °C的典型工艺温度下，氧化铪阻挡层的氧含量10分钟内就从HfO1.95降到HfO1.83，说明它在二硫化钼的金属有机化学气相沉积中能源源不断供氧用于刻蚀[1]。相比之下，蓝宝石、非晶氧化铝、非晶二氧化硅热稳定性更高，同等温度下给不出这样的刻蚀通量，氧化铪恰恰是靠较低的热稳定性才担得起阻挡层这个角色[1]。

图2 | EF-SCN体系的刻蚀通量阻挡层机制与工艺兼容性。a，反应速率示意与阻挡层氧释放示意。b，不同退火温度下HfO2的掠入射X射线衍射谱。c，不同退火时间下HfO2的XPS原子比（氧含量由HfO1.95降至HfO1.83）。d，非晶SiO2上单晶MoS2生长的光学显微与SEM图像。（图片来源：P1 Fig.2, Nature 658, 400, 2026）

该方法对工艺很宽容，可用于430 °C的低温生长[1]。原子力显微镜测得单层厚度0.75 nm，说明单中心成核没有带来额外的层数不均，成核位置确定的同时，层厚也保持均匀[1]。

PART. 4

关键结果

借助图形内非均匀的成核概率分布，单中心成核做出了10 μm尺度的单晶二硫化钼，单个晶核稳定落在图形中心，晶体尺寸能随图形设计同步放大，绕开了传统选区生长里随机成核对单晶尺寸的约束[1]。

图3 | 二维MoS2 EF-SCN的成核设计规则。改变工艺时间、生长区尺寸与MOCVD条件，可切换零成核、单成核、多成核三种状态，单中心成核即由此而来。（图片来源：P1 Fig.3, Nature 658, 402, 2026）

电学上，这种单晶二硫化钼的场效应迁移率达到117 cm2 V−1 s−1，单晶通道的载流子输运相当可观，可见确定性成核并没有拿器件性能作代价[1]。

大面积上，该方法单晶产率超过99%，面向阵列的可靠性站得住[1]。同一单晶里集成多个晶体管时，迁移率的相对标准偏差只有7.8%，器件间波动很小，说明空间编程生长的单晶能撑起性能一致的阵列[1]。

图4 | 基于EF-SCN的空间编程单晶架构。a，成核-生长解耦策略示意。b、c，线状单晶FET的结构与转移曲线。d，单晶FET阵列的迁移率分布，同一单晶内器件间一致性良好。（图片来源：P1 Fig.4, Nature 658, 403, 2026）

PART. 5

补充文献对照

机理层面，Fei等人在Nature Communications发表的工作，用原位透射电镜直接看二硫化钼的生长过程：400 °C时呈垂直取向的层状生长，温度升高后转水平，再升高则靠合并相邻薄片增大晶粒[2]。这份原位观察，给主文献"成核与生长两阶段可分离"的设计提供了生长动力学上的证据[2]。

方法层面，Zhang等人在Nature Communications发表的工作走的是反向流化学气相外延：700 °C先长第一层，更高温度再外延第二层，做出双层过渡金属硫族化合物单晶[3]。这与刻蚀通量策略是两条互补的确定性生长路线，说明确定性成核并不绑定某一特定工艺[3]。

理论层面，Dong等人在Nature Communications发表的工作给出了二维材料外延生长的一般理论框架：二维材料生长边缘趋于沿衬底高对称方向排列[4]；并且只有当衬底对称群是二维材料对称群的子群时，岛取向才可能统一，这条对称性判据为成核后晶畴取向的一致化提供了理论指引[4]。

PART. 6

局限与证据边界

这套成核设计规则是在特定的工艺时间、生长区尺寸与MOCVD条件下得到的，出了这个条件窗口是否还成立，原文没有系统验证[1]。本文的解读同样只限于论文公开的全文证据，不把结论外推到未经实验验证的材料和工艺，也不替作者下原文没有给出的判断[1]。

PART. 7

对硕博研究生的启示

对做材料与器件方向的硕博研究生来说，这项工作的价值在于把成核问题从"控制密度"推进到"控制位置"：靠阻挡层释放的横向刻蚀通量，在图形内建立非均匀的成核概率，随机性于是变成了可设计性[1]。实验上值得借鉴的是对照思路：固定其余变量，逐项改变生长区尺寸与流量，同时用原子力显微镜和电学测量交叉验证，而不是只看形貌图像就下结论[1]。

PART. 8

参考文献

[1] Park J, Kim J, Kang S, et al. Spatially deterministic nucleation of 2D semiconductors by etching flux. Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11095-1

[2] Fei L, Lei S, Zhang W-B, et al. Direct TEM observations of growth mechanisms of two-dimensional MoS2 flakes. Nature Communications, 2016. DOI: 10.1038/ncomms12206

[3] Zhang X, Nan H, Xiao S, et al. Transition metal dichalcogenides bilayer single crystals by reverse-flow chemical vapor epitaxy. Nature Communications, 2019. DOI: 10.1038/s41467-019-08468-8

[4] Dong J, Zhang L, Dai X, Ding F. The epitaxy of 2D materials growth. Nature Communications, 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-19752-3

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