清华新闻网8月11日电 以石墨烯、二硫化钼（MoS₂）等为代表的范德华二维材料，凭借原子级厚度和优异的电学性能，有望为晶体管进一步微缩和集成电路性能提升提供新的材料基础。然而，目前可稳定制备并用于器件集成的范德华材料种类仍较有限，制约了二维材料体系及其功能应用的进一步拓展。相比之下，二维非范德华金属氧化物，尤其是多组分氧化物，具有多铁性、宽范围可调的能带结构和强层间耦合等丰富物性，有望显著扩展二维材料库及其应用边界。但由于非范德华材料具有各向同性的成键和生长倾向，超薄厚度与大畴尺寸往往难以兼得；同时，多金属元素的引入涉及多种前驱体的协同输运与反应，容易造成相分离和组分不均。因此，实现非范德华多元金属氧化物的可控二维生长，仍是该领域的重要挑战。

近日，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室助理研究员石润、材料学院刘锴教授团队与北京科技大学数理学院孙颖慧教授团队合作，提出一种双重调控化学气相沉积（CVD）策略，成功制备出一类超薄非范德华三元氧化物——神冈矿型（kamiokite-type）A₂Mo₃O₈（A为二价金属元素，包括Zn、Mn、Co、Ni和Fe），并展示了其作为高κ栅介质在高性能二维电子器件中的应用潜力。

该工作引入硫蒸气作为温和还原剂，使其与MoO₃–AO_x共晶混合物协同作用，共同调控前驱体液滴的尺寸、组成及演化过程。在约650 °C条件下，硫蒸气促进脱氧和挥发，显著减小液滴尺寸，进而推动纳米片沿面内方向生长。所得A₂Mo₃O₈单晶厚度可低至2.5 nm；在厚度约3.0 nm时，单晶畴尺寸仍可超过100 μm，实现了超薄厚度与大尺寸单晶畴的兼顾。此外，通过调节硫蒸气浓度和MoO₃用量，研究团队还实现了产物组成与化学计量比的可控调节，可获得富氧相AMoO₄、目标相A₂Mo₃O₈以及A₂Mo₃O₈/MoS₂氧化物/硫化物异质结构，为多样化器件构筑提供了灵活的材料体系。

图1.二维A₂Mo₃O₈的双重调控CVD合成与组分调控

研究发现，二维A₂Mo₃O₈的带隙随厚度减小而显著增大。其中，厚度低于10 nm的Zn₂Mo₃O₈（ZMO）带隙可达4.0 eV，并表现出优异的绝缘性能。采用双栅器件测得二维ZMO的相对介电常数最高约为25，表明其具有作为高κ栅介质的潜力。得益于MoS₂/ZMO高质量异质界面，采用Zn₂Mo₃O₈作为栅介质的二维顶栅晶体管在大气环境下表现出优异性能：开关比超过10⁷，亚阈值摆幅约为63.8 mV/dec，接近室温玻尔兹曼极限；归一化回滞仅约1.6 mV MV⁻¹cm，界面缺陷密度低至4.3×10¹¹eV⁻¹cm⁻²。此外，器件在长期存放后以及523 K高温条件下均保持稳定，展现出其作为高性能二维晶体管栅介质的应用前景。

图2.基于Zn₂Mo₃O₈顶栅介质的高性能二维场效应晶体管

该研究为二维非范德华氧化物的可控合成提供了新思路，为进一步探索高κ介质、铁电和磁性等功能材料的二维集成提供了新的机遇。相关研究成果以“用于二维电子学的超薄非范德华神冈矿型氧化物家族”（“A family of ultrathin non-van der Waals kamiokite-type oxides for two-dimensional electronics”）为题，于2026年8月5日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

石润为论文第一作者，刘锴、孙颖慧为论文共同通讯作者。清华大学材料学院2024届博士毕业生吴永煌等参与了研究。

研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金卓越研究群体A类、国家自然科学基金和北京市自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-76401-x