在过去的15年里，石墨烯的成功剥离极大地促进了人们对各种二维（2D）材料的研究。与传统薄膜不同，2D材料由一到几个原子层组成。虽然层内的原子是化学键作用，但层之间的相互作用通常是弱的范德华（vdW）相互作用。由于其特殊的维度，2D材料表现出三维材料所不具备的特殊的电、磁、力学和热学性质，因此在各种应用领域具有巨大的潜力，例如基于2D材料的器件。为了充分实现其大规模的实际应用，特别是在器件方面，开发晶圆级单晶（WSSC）2D材料至关重要。
有鉴于此，韩国蔚山科学技术院丁峰教授详细综述了WSSC 2D材料的合成策略，并重点总结了WSSC石墨烯、六方氮化硼（hBN）和过渡金属二硫属化物（TMDC）合成的最新研究进展。此外，还概述了其未来研究与开发中需要解决的一些挑战。
文章要点
1）2D材料的大面积生长必须发生在衬底上，并且必须包括以下基本步骤：i）原料分子吸附在催化衬底上并分解成活性前体，ii）活性前体扩散并聚集在衬底上形成2D材料的种子，iii）种子在衬底上生长成大的2D岛，以及iv）2D岛结合形成大的2D材料层。其中，步骤iv）不影响通过单个核的连续生长而形成的WSSC 2D材料，而对于通过多个单向排列的2D岛的无缝缝合形成WSSC2D材料至关重要。迄今为止，在过渡金属衬底上CVD生长石墨烯和hBN薄膜已经取得了很大的进展。在石墨烯和hBN的生长中，过渡金属在催化原料解离方面起着重要作用，并为分解的前体扩散和自组装成单原子厚岛提供模板。与石墨烯和hBN不同，CVD合成TMDCs通常不需要催化活性衬底，因为所使用的原料是活性原料(例如，硫化物蒸气和过渡金属氧化物蒸气)。作者分别回顾总结了石墨烯、hBN和TMDC材料生长的基本原理。
2）经过10多年的紧张研究和开发，大面积石墨烯薄膜的合成技术已经逐渐成熟，在过去的几年里，人们已经用不同的方法生长了WSSC石墨烯薄膜。作者通过两条路线综述了WSSC单层石墨烯的合成进展，即i）从单晶衬底上的单核开始生长和ii）在单晶衬底上外延生长的单向石墨烯岛的无缝拼接。
3）与无禁带的石墨烯相比，hBN的禁带宽度约为5.5 eV。hBN表现出比石墨烯更高的热稳定性和化学稳定性，同时具有相似的机械强度。因此，hBN在电介质、深紫外光发射、质子传输等领域具有广阔的应用前景。与石墨烯和其他2D材料(如半导体TMDC)一起，可以通过垂直堆积2D材料或它们的异质结构来构建高性能电子器件。因此，WSSC hBN等2D材料的合成是实现基于2D材料的高性能电子学的关键一步。
4）TMDC单分子膜有一层过渡金属原子层夹在两个硫化物原子层之间。根据三层的堆积顺序，可以有不同的TMDC相，例如ABC堆积的T相、重构的T‘或T“相以及ABA堆积的H相。过渡金属和硫族元素的种类繁多，进而导致了约100种稳定的TMDC材料，及其合金值得研究与探索。因此，TMDCs形成了一个庞大的2D材料家族，具有丰富的电子性质，通常不同于相应的体相。TMDCs丰富的电学性质使其在下一代电子学和光电子学领域具有广阔的应用前景。此外，垂直堆积的TMDC或vdW异质结有望具有更丰富的电学性能和广泛的应用前景。
5）与六角形MoX2和WX2不同，ReX2由于其独特的重链重构而呈现C2对称性。这种低对称性导致了各向异性的性质，因此，ReX2在许多新型电子和光电器件中具有良好的应用前景。然而，种低对称性2D材料的晶圆级单晶合成也面临着巨大的挑战。
6）目前人们在制备WSSC多层2D材料方面仍处于起步阶段，并面临着巨大挑战。原因主要是：i）自限制生长：一旦生长的单层完全覆盖了衬底，后续的层就很难生长，因为衬底失去了催化作用；ii）难以控制二维材料在多层膜上均匀成核；iii）虽然过渡金属薄膜的硫化已被提出用于多层TMDDCs的合成，但在此过程中很难获得单向取向的多层TMDCs晶粒和控制层的均匀性。
参考文献
Leining Zhang, et al, Strategies, Status, and Challenges in Wafer Scale Single Crystalline Two-Dimensional Materials Synthesis, Chem. Rev, 2021
DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c01191
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01191
