二维 (2D) 二硫化钼 (MoS2) 具有原子级厚度和原子级平整的表面，单层结构中没有悬挂键 。因此，它表现出优异的栅极调控能力和高电子迁移率，能够有效抑制电子器件中的短沟道效应。为了在实际应用中充分释放其潜力，必须实现大面积、高质量 MoS2薄膜的外延生长，并使其与现有硅基技术兼容。化学气相沉积（CVD）因成本低、工艺简单且稳定可靠，已成为制备大面积、高质量 2D MoS2 薄膜最有效的方法之一。目前，制备单层 MoS2薄膜主要有两条技术路线。第一条路线是在单晶衬底（如金或蓝宝石）上直接外延生长晶圆级单晶 MoS2。该方法利用表面台阶工程、晶格对称性、缓冲层以及表面化学作用，实现 MoS2晶体在衬底表面的单向取向，从而形成无晶界的完整单晶薄膜。由于不存在晶界，这类薄膜具有极佳的均匀性和更优异的电学性能。然而，后续的转移过程往往会造成材料损伤并降低电学性能，最终抬高制造成本。
近期研究中的另一重要方向，是在 SiO2/Si 衬底上直接生长大面积、高质量的单层 MoS2薄膜，以满足硅基工艺兼容性的需求。该方法省去了转移步骤，可直接将 MoS2薄膜制作为器件，实现后端工艺（BEOL）的无转移集成。然而，与蓝宝石不同，SiO2/Si 表面为非晶态，难以通过调控晶粒取向来获得单晶薄膜。目前虽可在 SiO2/Si 上获得连续单层 MoS2，但所得薄膜多为多晶，由大量随机取向、尺寸通常不足 1 μm 的晶粒及众多晶界组成。大量晶界导致严重的电子散射，显著降低电子迁移率。最新的生长技术（如盐辅助 CVD、籽晶促进生长及衬底预处理等）显著降低了成核密度，使晶畴尺寸扩大到 10 μm 以上，但同时也引入了残余杂质并诱发多层生长。为使多晶薄膜的电学性能逼近单晶薄膜，亟需开发能在 SiO2/Si 上高效生长晶畴大、空间均匀性好的单层 MoS2的新方法，以推动 2D MoS2薄膜在电子器件中的规模化应用。
基于以上，近日，本课题组报道了一种“氧化剂调制”化学气相沉积（CVD）策略，在 SiO2/Si 衬底上实现了高质量、大晶畴的单层MoS2薄膜。通过对成核与生长两个阶段氧流量的精准调控，成功制备出 2 英寸单层MoS2薄膜，平均晶畴尺寸超过 50 μm。具体而言：
1. 成核阶段的适量供氧显著降低了成核密度；
2. 独立优化生长阶段后，有效抑制了多层生长，促进了MoS2的横向扩展，最终得到连续、大晶畴的单层薄膜。
表征结果显示，薄膜在整片尺度上具有优异的均匀性。基于此薄膜构筑的场效应晶体管（FET）器件，平均电子迁移率为 50.3 cm2 V-1 s-1，峰值达 72.3 cm2 V-1 s-1，开关比超过 108，其电学性能已可与单晶薄膜媲美。该方法工艺简单、稳定可靠且成本低廉，为在 SiO2/Si 上快速制备大晶畴单层MoS2提供了普适方案，极具未来电子器件规模化应用前景。
文献信息：
Oxidant-Modulated Synthesis of Polycrystalline MoS2 on SiO2/Si with Near-Single-Crystal Mobility, Small, 2025, 202505147.
图1. 氧化剂调控在SiO2/Si 上生长单层MoS2薄膜
图2. 氧气在MoS₂生长阶段对成核密度和晶畴尺寸的调控作用
图3. CVD合成大晶粒单层MoS₂薄膜的原子结构表征
图4. 单层MoS₂薄膜的电学性能