近日，电子信息学院高庆国副教授在国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（ACS AMI） 发表题为 Beyond-Grain-Boundary Growth of Twisted Bilayer MoS2的内封面研究论文。高庆国为论文第一作者和通讯作者，论文共同作者还包括：程露，韦舒婷，张文韬，陈俊州，黄子健，王悦辉，杨健君，刘萍，刘黎明。团队创新性提出 “超越晶界” 化学气相沉积（CVD）生长策略，成功实现了双层MoS2的跨晶界生长，覆盖了从0°到60°的全扭转角范围，并大大提升了小转角双层MoS2的CVD生长比率。
01 前沿攻坚：瞄准扭转电子学核心难题
二维过渡金属硫化物（TMDCs）是新一代半导体材料的研究前沿，而层间扭转角是调控材料物理性质的新兴自由度 —— 通过调控两层材料的相对旋转角度，可诱导出超导、关联绝缘态等新奇量子现象，在下一代电子器件、量子器件领域具备重大应用潜力，也推动了 “扭转电子学” 这一前沿方向的快速发展。
然而，大尺寸、高质量、全扭转角范围可控的TMDCs双层结构（尤其是小扭转角）的合成仍是巨大挑战。化学气相沉积（CVD）是主流生长方法，难以获得小扭转角制备和精确扭转角控制。此外，化学气相沉积二维材料，两独立晶畴相遇时通常形成伴随缺陷的缝合晶界（stitched grain boundary）。开发能够实现“超越晶界”生长（beyond-grain-boundary growth）的新策略，即两个独立生长的单层晶域相遇时保持各自完整边界并形成扭转双层结构，对于实现化学气相沉积过程中的原子操控和推动扭转电子学（twistronics）的实际应用至关重要。
图1.(a)-(c)常规硫源供应方案及对应生长结果. (d)-(f)“超越晶界”硫源供应策略及对应生长结果.
02 创新突破：“超越晶界” 生长的核心成果
针对上述挑战，团队创新设计了二次供硫的 CVD 生长策略，通过调控生长过程中硫前驱体的浓度变化，首次实现了二维材料的 “超越晶界生长”：两个独立生长的单层 MoS2晶畴相遇时，边界保持完整而非发生缝合，材料可跨越晶畴继续生长，并在交叠区域自发形成扭转双层结构。
图2. 不同扭转角度双层MoS2生长结果光学显微镜照片.
本次研究的核心进展包括：
（1）全扭转角范围覆盖：成功制备出 0° 至 60° 全角度区间的扭转双层 MoS2，打破了传统方法的角度限制；
（2）大尺寸与高小转角产率：样品横向最大尺寸可达 46 μm，远超此前同类研究报道；其中 0°-10°、50°-60° 的小扭转角样品占比达 10.4%，为小转角下的新奇量子现象研究提供了宝贵的材料平台；
图3. 不同扭转角度MoS2占比统计结果.
（3）原子尺度结构验证：借助扫描透射电镜（STEM）与选区电子衍射（SAED）表征，在 3.4° 扭转角的样品中清晰观测到周期为 5.45 nm 的莫尔超晶格，验证了材料的高质量扭转堆叠结构；
图4. 通过扫描透射电子显微镜得到的不同扭转角度双层MoS2的莫尔晶格图案.
（4）物性调控规律明晰：系统开展了不同扭转角样品的拉曼光谱与光致发光光谱测试，揭示了扭转角对材料声子、激子性质的显著调控作用，明确了小转角区间的物性变化特征；
图5. 不同扭转角双层MoS2的拉曼和PL表征结果.
（5）生长机理解释：阐明了二次供硫的作用机制 —— 硫化学势的急剧变化驱动晶畴边缘结构发生转变，是促成跨晶界生长的核心原因。
图6. “超越晶界”双层MoS2制备机理.
03 深耕致远：研究价值与发展展望
该工作报道的“超越晶界”策略成功实现了双层MoS2的跨晶界生长，突破了传统CVD方法在缝合晶界和小扭转角制备上的限制，为大面积、高质量、全扭转角范围二维材料的制备提供了新思路。所获得的大尺寸样品和高小扭转角产率，对深入研究扭转角依赖的量子现象及器件应用具有重要意义。然而，该领域仍面临挑战，针对后续研究，团队表示将围绕四个方向持续深耕：
(1) 进一步优化生长策略，实现特定目标扭转角的更高精度、更高产率的可控生长。
(2) 结合更深入的理论模拟与原位表征技术，更细致地阐明跨晶界生长过程中边缘结构演化、原子堆叠与成核动力学的微观机制。
(3) 将该“二次供硫”策略推广应用于其他二维TMDCs材料（如WS2, MoSe2等）的扭转双层结构合成。
(4) 利用此方法制备的高质量、大尺寸、特定扭转角样品，构建原型器件，探索其在量子电子学、光电子学等领域的应用潜力。
图7. 科研实景.
近年来，电子信息学院持续聚焦半导体材料与器件、电子信息等前沿领域，大力支持教师开展原创性基础研究与应用技术攻关，持续产出高水平科研成果。此次成果是学院学科建设与科研工作的重要进展，将推动相关研究方向深化，助力人才培养质量提升。
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ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 27, 39302–39311
Published June 1, 2025
https://doi.org/10.1021/acsami.5c04558