我院广东省高等学校物质结构与相互作用基础研究卓越中心、广东省量子调控工程与材料重点实验室徐小志教授课题组与北京大学刘开辉教授合作，在低维单晶材料制造方面取得重要进展，实现了大尺寸单晶菱面体堆垛双层二硫化钨(WS₂)薄膜的制备。该研究成果以“Remote epitaxy of single-crystal rhombohedral WS2 bilayers”为题，于5月16日发表在《Nature Communications》上。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-48522-8

相比于单层过渡金属硫族化合物，菱面体堆垛的双层材料有着更优异的光学、电学和铁电性能，是新一代电子和光电子器件的备选材料。但是，目前单晶双层薄膜制备面临着以下问题：1.双层成核势垒较高；2.大尺寸均匀成膜不可控；3.单一堆垛方式难以实现。因此，单晶菱面体堆垛双层过渡金属硫族化合物薄膜的制备尚未实现。

在这项工作中，研究组报道了一种远程外延制造技术，实现了蓝宝石上单晶双层菱面体堆垛过渡金属硫族化合物薄膜的通用制备。其原理是：1.利用高的W源浓度降低双层成核势垒，实现大范围内的双层均匀成核；2.选用较弱相互作用的蓝宝石衬底，保证双层核同时长大，实现高覆盖率均匀双层WS₂薄膜的制备；3.利用蓝宝石表面原子级台阶实现双层WS₂的单一菱面体堆垛生长，最终实现了大尺寸单晶菱面体堆垛双层WS₂薄膜的制备。这项研究工作促进了多层单晶菱面体堆垛过渡金属硫族化合物薄膜的制备与应用。

我院博士研究生常超、青年英才特聘副研究员张晓闻、硕士研究生李伟轩、北京大学博士研究生郭泉林、冯佐为论文共同第一作者。我院徐小志教授、北京大学刘开辉教授、我院青年英才特聘研究员魏文娅为共同通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。徐小志教授是我院2019年引进青年拔尖人才，主要从事低维量子材料与表面物理研究。以通讯作者/第一作者发表文章多篇：Nature（2篇）、 Nature Nanotechnology（2篇）、 Nature Chemistry、Nature Communications（3篇）、Advanced Materials、Nano Letters等。该研究得到了国家重点研发计划课题、国家优秀青年科学基金、广东省杰出青年基金、广东省重点领域研发计划、物理学一流学科建设经费等的支持。

图一：双层WS₂生长机制及实验结果