远程外延技术自 2017 年提出后，大多以石墨烯作为二维缓冲层开展研究，而氧化镓（Ga₂O₃）作为下一代功率电子极具潜力的超宽禁带半导体，本征热导率低，需要转移到高导热衬底实现散热，传统晶圆键合、离子切割等转移工艺复杂；亚稳相刚玉结构 α-Ga₂O₃ 仅能在同构蓝宝石衬底上实现稳定生长，若采用远程外延有望获得可剥离的单晶 α-Ga₂O₃ 薄膜，但石墨烯之外其他二维材料的远程外延机理尚不清晰，本文采用无需高真空、工艺简便的 mist-CVD（雾化化学气相沉积）在 MoS₂/蓝宝石模板上开展 α-Ga₂O₃ 远程外延研究，探索非石墨烯二维材料的远程外延新机制。

主要内容

通过在蓝宝石上合成的无畴、无转移的单层 MoS₂ 模板，展示了刚玉相 α-Ga₂O₃ 的远程外延。尽管 MoS₂ 本身存在非理想性，特别是其厚度和极性键合特性，不利于远程外延，但单晶 α-Ga₂O₃ 薄膜仍能在多晶 MoS₂ 上外延生长，其晶体保真度与直接在裸露蓝宝石上生长的薄膜相当。这一观察结果证实，基底晶格势仍能有效地通过 MoS₂ 层传递，促进生长前沿的外延配位。所得 α-Ga₂O₃ 薄膜的晶体质量和表面形貌与直接在裸露蓝宝石上生长的薄膜相当。此外，使用镍应力源成功剥离了厘米级无裂纹的 α-Ga₂O₃ 薄膜，凸显了远程外延过程的机械兼容性和可扩展性。在多层 MoS₂ 中观察到的结构无序进一步证实了远程外延机制。第一性原理计算揭示，MoS₂ 底部 S 原子与蓝宝石 Al 原子之间的界面相互作用在 MoS₂ 表面诱导了空间调制的电荷分布，为 Ga 物种创造了能量上有利的吸附位点。综上所述，这些发现为极性界面上的电荷介导远程外延建立了一个机理框架，并扩大了下一代功率电子和光电器件中可转移宽带隙 Ga₂O₃ 薄膜异质集成的设计空间。

创新点

①工艺创新：采用溶液法在蓝宝石上制备无畴拼接、大面积多晶单层 MoS₂ 模板，结合大气压 mist-CVD 实现厘米级无裂纹单晶 α-Ga₂O₃ 远程外延，不需要昂贵高真空外延设备；当 MoS₂ 层数增加至双层及以上，Ga₂O₃ 晶体质量快速恶化，甚至生成 ε-Ga₂O₃ 杂相。

②提出电荷介导远程外延新机理：DFT 第一性原理计算表明，蓝宝石表层 Al 原子与单层 MoS₂ 底层 S 原子相互作用，会在 MoS₂ 表面形成空间调制的电荷耗尽位点，Ga 原子优先在这些位点吸附成核，将衬底晶体信息传递到上层薄膜；该电荷调制效应仅在单层 MoS₂ 条件下存在，解释了极性 MoS₂ 也可以实现远程外延，区别于石墨烯 “晶格透明” 经典机制。

③薄膜性能与剥离验证：单层 MoS₂ 上生长的 α-Ga₂O₃ 晶体质量、表面形貌可媲美直接在蓝宝石上生长的薄膜，界面因范德华作用发生应力弛豫，几乎无残余应变；借助 Ni 应力层实现完整厘米级 α-Ga₂O₃ 膜机械剥离，得到可转移的自支撑氧化镓单晶薄膜，衬底可以重复利用，有利于后续异质集成与热管理优化。

④机理佐证实验：对蓝宝石做氧等离子体处理，诱发 S-O 共价键后会完全抑制 α-Ga₂O₃ 成核生长，侧面证实界面电荷效应是该体系远程外延的核心，为其他极性界面的远程外延材料设计提供理论框架与新思路。

结论

各种 Al₂O₃-MoS₂ 界面构型（表 S2 和 S3）之间的形成能差异很小，这表明在这些构型中，MoS₂ 在 Al₂O₃ 基底上成核的能量势垒差异同样很小。因此，具有除最低能构型 I 以外的取向的 MoS₂ 晶粒可以以非可忽略的概率形成，从而形成实验中观察到的多晶 MoS₂ 层。然而，尽管这种多晶 MoS₂ 薄膜中存在不同的面内取向，但 MoS₂-基底界面处的电荷重分布仍然具有高度选择性，并且始终与 Al₂O₃ 基底上 Al_top 原子的位置相关，如图 5B 和图 S13 所示。这表明，无论下层 MoS₂ 的晶粒取向如何，下层基底仍可以对不同 MoS₂ 晶粒施加空间图案化的静电影响。因此，对于在多晶 MoS₂ 上观察到的单晶 α-Ga₂O₃ 外延生长，一种合理的解释是，Ga₂O₃ 在这些基底印迹的电荷耗尽位点上优先成核并随后生长，而与下层 MoS₂ 的晶粒取向无关。

图1. 基于 MoS₂ 的 Ga₂O₃ 远程外延整体工艺流程示意图。该工艺包括旋涂溶于二甲基甲酰胺、正丁胺和乙醇胺混合溶剂中的(NH₄)₂MoS₄，随后进行硫化以形成 MoS₂ 模板。随后，通过雾态化学气相沉积（mist-CVD）法生长 α-Ga₂O₃，并使用溅射的 Ni 应力源层进行剥离。

图2. 二硫化钼（MoS₂）和氧化镓（Ga₂O₃）的生长表征。（A）蓝宝石上单层 MoS₂ 的俯视扫描电子显微镜（SEM）图像，（B）30×30 μm² 区域上单层 MoS₂ 的拉曼光谱图，比例尺表示 ∆_mode 的范围，（C）不同厚度 MoS₂ 上生长的 Ga₂O₃ 的 X 射线衍射（XRD）2θ-ω 扫描，（D）单层 MoS₂ 上生长的单晶 α-Ga₂O₃ 的电子背散射衍射（EBSD）分析，以及（E）单层 MoS₂ 和（F）五层 MoS₂ 上生长的 Ga₂O₃ 薄膜的俯视扫描电子显微镜（SEM）图像。

图3. 了解 Ga₂O₃ 在 MoS₂-on-蓝宝石上的成核与生长过程。图(A)和(B)分别为生长 2 分钟和 5 分钟后，裸露蓝宝石上 α-Ga₂O₃ 核的俯视扫描电子显微镜（SEM）图像。图(C)和(D)分别为生长 2 分钟和 5 分钟后，单层 MoS₂ 上 α-Ga₂O₃ 核的俯视 SEM 图像，插图显示了顶部核下方未完全融合的情况。图(E)和(F)分别为生长 5 分钟后，三层和五层 MoS₂ 上 Ga₂O₃ 薄膜的俯视 SEM 图像。图(G)为蓝宝石上 Ga₂O₃ 成核生长过程的示意图，包括有无单层 MoS₂ 的情况，描述了 MoS₂ 表面上数量较少但较大的菱形核。图(H)和(I)为 α-Ga₂O₃ 薄膜的同轴(0006)和离轴(10-14)反射的 X 射线衍射（XRD）摇摆曲线。图(J)为裸露蓝宝石和单层 MoS₂ 上 Ga₂O₃ 的(0006)和(10-14)反射的平均半高宽（FWHM）值对比。

图4. 远程外延生长的 α-Ga₂O₃ 的微观结构分析和剥离。（A）在扩展的横向区域（>200 nm）上 MoS₂ 层的低倍横截面高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。（B）沿[-12-10]晶带轴获得的选区电子衍射（SAED）图案。（C）显示 MoS₂ 中间层和 α-Ga₂O₃ 的高倍横截面扫描透射电子显微镜（STEM）图像。（D）图（c）中界面区域的能量色散谱（EDS）线轮廓。（E）剥离的涂镍 Ga₂O₃ 在热释放胶带上的照片，旁边是剩余的基底。（F）显示镍应力源、钛粘附层和 Ga₂O₃ 的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。（G）Ga、O、Ni 和 Ti 的相应能量色散谱（EDS）元素映射。

图5. 通过 MoS₂ 二维层对 Ga₂O₃ 远程外延机理的密度泛函理论（DFT）研究。（A）由 α-Ga₂O₃/MoS₂/α-Al₂O₃ 层组成的代表性异质结构模型。（B）（上）Al₂O₃–MoS₂ 界面构型 1 和 2（下）的 c 轴视图。电荷密度差图（Δρ），显示电子耗尽（δ+，红色）和电荷累积（δ−，蓝色）。（C）示意说明 Al_top 位置/距离与电荷密度差（Δρ）之间的相关性。随着共线性的增加（或等效地，随着 Al_top-S_bott 距离的减小），MoS₂ 中 S_top 原子上观察到更大的电荷耗尽。（D）计算得到的 S_top原子上的电荷密度差，作为 Al_top-S_bott 距离的函数。（E）Ga 原子吸附能（单位：eV）作为 Al_top-S_bott 距离的函数，表明更大的电荷耗尽对应更强的吸附。对于 Ga(h₂O)₃ 复合物，观察到吸附强度对 Al_top-S_bott 距离的相似依赖性（见图 S12）。（F）（左）Al_top 原子的位置信息如何传递给 S_top 原子，形成二维电荷耗尽图案的示意图。（右）α- 和 ε-Ga₂O₃ 多晶型体作为可能的外延相。（G）示意图显示 Gabott 原子与电荷耗尽的 S_top 位点的位置相干性。（H）MoS₂ 层与 α 和 ε 相的各种晶向（hkl=001, 010, 100, 110, 101, 011 和 111）之间晶格匹配产生的计算应变值。沿（001）方向生长的 α-Ga₂O₃ 相表现出最低的应变（2.3 %）。

DOI:

10.1126/sciadv.aee9510