晶体是科技发展的基石，也是现代计算机、通信、航空、激光技术等领域不可或缺的关键材料。制备完美的晶体通常依赖于使用小晶体模板，即以“晶体种子”作为生长起点，随后原子在其表面有序堆积，逐渐形成更大的晶体，这如同建造房屋，打好地基后，从下往上逐层砌砖，最终建出完整的建筑。然而，这种自下而上的表面堆砌原子生长方式存在一定局限性，不仅限制了晶体种类多样性，也会随着原子数目不断增加，缺陷逐渐累积，进而限制了晶体质量。
北京大学科研团队首创一种全新的晶体制备方法，并自主命名为“晶格传质-界面生长”，这是一种从界面生长，顶着上方结构往上走的“顶蘑菇”式的生长方式，可保证每层晶体结构的快速生长和均一排布，有效避免缺陷的积累，极大提高了晶体结构可控性。相关研究成果以《多层菱方相过渡金属硫族化合物单晶的界面外延》为题日前在《科学》杂志在线发表。
“利用新方法，制备出的二维晶体单层厚度仅为0.7纳米，可以用作极限尺度的电子集成电路。”北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉表示，这一成果标志着我国在新型二维晶体研究领域取得了重要进展，为我国在集成电子和光子芯片领域的创新发展提供了有力支持。
“这是一种颠覆传统晶体生长方式的晶体制备新范式。在制备过程中，原子首先在金属表面，即‘地基’上排布形成‘第一层晶体’；接着，新加入的原子通过埋在‘地基’下方的晶格，传输进入‘地基’与‘第一层晶体’之间的‘缝隙’，然后顶着上方已形成的晶体层进行生长，不断形成新的晶体层。这和自然界中很多植物的生长方式类似，就像‘顶蘑菇’一样。”刘开辉介绍，“从另一个角度来看，‘顶蘑菇’的比喻也很贴切。蘑菇是通过地表下的菌丝网络汲取养分，而晶体制备，则需要通过埋在‘地基’下方且溶解到金属晶格里的原子作为‘养分’。”
“这种生长方式也类似于德国慕尼黑宝马大厦的建造过程：首先在地基上构建顶部楼层结构，再利用液压千斤顶将整个顶部结构逐渐推高，而后在下方逐步建造新的楼层。”刘开辉表示，晶体制备新方法为人类解锁更多种类、更多功能、更高质量的晶体材料打开了新大门。利用这种创新方法，团队已经制备出硫化钼、硒化钼及硫硒化钼合金材料等一系列二维晶体。
“此外，通过‘顶蘑菇’顶出一万多层，可以让光在每一层晶体上一起‘跳集体舞’，从而实现对光的变频控制，有望推动超薄光学芯片应用，拓展其在光子学领域的应用潜力。未来，科研团队将继续深入研究，挖掘‘晶格传质-界面生长’范式的更多潜力，推动其在新材料制备、新应用领域的广泛应用。”刘开辉说。（记者晋浩天）