近日， 物理学院王金兰教授团队与苏州实验室/南京大学王欣然教授团队协同攻关，1月30日在国际顶级学术期刊《Science》在线发表重磅研究成果：《氧气辅助实现过渡金属硫化物生长的动力学调控》（DOI: 10.1126/science.aec7259）。
团队创新提出氧辅助调控金属有机化学气相沉积（oxy-MOCVD）反应动力学路径的生长策略，成功攻克6英寸（150毫米）过渡金属硫化物二维半导体单晶量产核心技术，彻底解决传统工艺碳污染、晶畴尺寸小、性能不足等关键难题，为这种新型材料从实验室走向规模化产业应用铺平了道路，标志着我国在该领域跻身国际领先行列。
作为延续“摩尔定律”的核心候选材料，二硫化钼（MoS₂）等过渡金属硫化物二维半导体凭借原子级厚度、高迁移率、低功耗等独特优势，在集成电路、柔性电子、高端传感器等领域具有广阔应用前景，是破解当前芯片技术瓶颈的重要方向。但长期以来，其产业化进程受困于“量产悖论”：实验室常用的化学气相沉积（CVD）技术能制备高质量单晶，却存在尺寸小、均匀性差、可重复性低等问题，无法满足工业生产需求；传统MOCVD技术虽具备规模化生产潜力，却因反应动力学限制，易生成缺陷多、电子迁移率低的多晶材料，难以适配高端电子器件要求。大尺寸、高品质二维半导体单晶的量产技术，成为制约行业发展的核心瓶颈。
面对这一“卡脖子”难题，王金兰教授团队率先从理论层面破局。通过第一性原理计算模拟，团队发现传统MOCVD工艺中，前驱体Mo(CO)₆的硫化反应能垒高达2.02eV，不仅严重限制生长速率，导致晶畴尺寸仅能达纳米级，还易引入碳污染。关键突破来自“加氧气”的创新思路——团队研究发现，通入氧气后，反应路径发生根本性重构：Mo(CO)₆和CS₂与氧气预反应生成三氧化钼（MoO₃）和单质硫活性中间体，不仅将反应能垒从2.02eV降至1.15eV，使前驱物反应速率提升约3个数量级，还从根源上抑制含碳中间体形成，彻底解决了碳污染问题。
传统MOCVD和oxy-MOCVD生长MoS2的（a）动力学过程及其（b-e）表征和电学性质
在理论支撑下，联合团队将这一核心思想转化为可产业化的技术方案，创新设计预反应腔结构，实现氧气与前驱体的精准混合与预氧化，实现“无碳生长”机制。实验结果显示，该技术使二硫化钼晶畴尺寸从百纳米级跃升至数百微米（最大达260μm），并实现有序排列；基于该材料制备的场效应晶体管阵列，最高电子迁移率达123cm²·V⁻¹·s⁻¹，较传统技术提升10倍以上，开关比达10⁹，性能指标完全满足工业应用要求。尤为关键的是，6英寸的制备规模精准匹配当前半导体产业生产线标准，为后续技术转化奠定了坚实基础。
此次成果是 跨单位、跨学科协同创新的典范。 博士毕业生、现苏州实验室博士后董瑞康为论文共同第一作者，王金兰教授为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金创新研究群体、重点项目等专项资助。这项技术突破不仅验证了“动力学调控提升材料质量”的理论构想，更为我国集成电路产业突破技术瓶颈、保障产业链供应链安全提供了重要支撑。