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 單層二硫化鉬是一種新型二維半導體材料，具有直接帶隙和谷極化特性，在新型半導體電子和光電器件應用方面具有巨大潛力。要實現這些應用，尤其針對大尺度集成器件的需求，首先在材料上要解決單層二硫化鉬的大尺度外延問題。同時，將大尺度單層二硫化鉬薄膜無損轉移到任意襯底之上也是拓展其器件應用的關鍵技術。到目前為止，國際上報道的化學氣相沉積、分子束外延等生長的單層二硫化鉬連續膜存在層數不可控、多晶（晶粒取向隨機）、難以獲得晶圓尺寸等缺點。

針對如何實現高質量、晶圓級、晶粒取向一致的單層二硫化鉬的晶圓級外延的挑戰，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室張廣宇研究組（N07組）在前期工作基礎（ ACS Nano 2014, 8, 6024; JACS 2015, 137, 15632; Adv. Mater. 2016, 28, 1950; Small 2017, 13, 1603005）上，采用MOCVD的設計思路搭建了分立源式三溫區氣相范德瓦爾斯外延系統，在單層二硫化鉬的低成本、高效、晶圓級外延生長上取得突破。N07組博士生余畫、廖夢舟等利用該系統優化了生長條件，在自限生長的前提下，在2英寸藍寶石晶圓襯底上外延出高質量單層二硫化鉬膜。所外延的晶圓級二硫化鉬膜具有晶圓尺度的均勻性（100%覆蓋度、成膜均勻、無第二層）。低能電子衍射、高分辨透射電子顯微鏡、以及角分辨光電子譜的表征結果表明，外延膜只有0°和60°兩種晶體取向，相同取向晶疇融合形成單晶，不同取向晶疇融合形成0°／60°晶界；具有直接帶隙為2.11 eV，觀察到價帶頂劈裂為140 meV。基于外延膜轉移到 SiO2/Sip++襯底上制備的晶圓規模器件陣列具有良好的性能，本征場效應晶體管器件為n型，平均溝道遷移率為40 cm2V-1s-1。我們還開發了一種簡單、無污染、快速、非破壞性的方法，利用水輔助將這些晶圓級二硫化鉬薄膜從藍寶石轉移到其他任意襯底上。在轉移之后, 這些藍寶石晶片仍可用于后續的生長。這種轉移技術還能夠應用于層數和角度控制的復雜堆疊結構。

本工作突破了晶圓級單層二硫化鉬的取向外延和轉移技術，為其在電子和光電器件中的應用奠定了材料基礎。相關結果發表在ACS Nano 2017, 11, 12001上，工作得到了國家重點基礎研究發展計劃（2016YFA0300904）、國家自然科學基金（51572289, 61325021, 61390503）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH004）以及中科院先導（B）培育項目(XDPB06)的資助。

(a) 兩英寸生長的藍寶石上的硫化鉬晶圓。插圖：生長的晶圓的低能電子衍射圖。(b) 晶界的高分辨透射電鏡圖。(c) 3個2英寸硫化鉬膜轉移到一個4英寸硅片上。(d) 預制圖案轉移硫化鉬條帶到硅片上。