随着电子器件的持续微型化，硅等传统半导体材料面临短沟道效应等难以突破的物理瓶颈。与之相比，范德华层状二维半导体具有原子级超薄厚度、表面无悬键的独特优势，且载流子迁移率几乎不随材料厚度减小而衰减，在5 纳米以下先进制程中展现出巨大应用前景。与硅基电子器件类似，晶圆级 n 型、p 型二维半导体单晶是构筑二维CMOS集成电路的基础和前提。迄今为止，科研人员已开发出多种 n 型二维半导体材料，其中MoS₂、WS₂等已实现了晶圆级单晶制备；然而兼具高迁移率与优异稳定性的 p 型二维半导体仍然十分稀缺，实现此类材料的晶圆级单晶生长则更加困难。

2020年，任文才研究员团队开创性地在非层状氮化钼生长体系中引入Si元素，创制出全新的p型二维半导体MoSi₂N₄，开辟了化学通式为MA₂Z₄的范德华层状材料新体系（Science 369, 670, 2020；Nature Reviews Materials 10, 907, 2025）。MoSi₂N₄独特的结构赋予了其优异的电学、光学、力学、热学、铁电等性质。其中，单层MoSi₂N₄的带隙与单层MoS₂相当，但理论载流子迁移率、热导率、杨氏模量与断裂强度全面优于MoS₂，且稳定性极佳，有望成为下一代CMOS电子器件理想的沟道候选材料。但迄今为止，实验上仅能制备出多晶MoSi₂N₄薄膜，晶界不仅作为载流子散射中心，会严重劣化电学输运性能，而且化学活性高，在转移过程中易于发生刻蚀，造成薄膜破损。

针对上述挑战，任文才研究员团队提出了以富集Mo和Si原子的Cu(111)单晶作为基底的CVD方法，实现了p 型单层MoSi₂N₄单晶晶圆的外延生长，相关研究成果于2026年7月8日在《自然·材料》（Nature Materials）在线发表。

研究发现，Cu(111)基底上的 <110> 台阶诱导了单层MoSi₂N₄晶畴定向成核并保持单一取向，从而实现晶畴无缝拼接，得到连续的单晶薄膜。所制备的单层MoSi₂N₄结晶质量优异，本征载流子迁移率高达 154 cm² V^-1 s^-1。利用该材料构筑的场效应晶体管阵列展现出优异的电学性能：开关比高达3.8 ± 1.4 × 10⁶，1 μm沟道长度下开态电流密度可达 17.96 μA μm^-1；相较于典型p型二维半导体WSe₂制备的器件，单层MoSi₂N₄晶体管的稳定性更优。此外，该方法具有很好的普适性，团队还制备出晶圆级单层WSi₂N₄单晶，其同样具有p型半导体特性，且带隙比MoSi₂N₄更大，拓展了MA₂Z₄材料体系的器件应用。

该研究不仅为未来集成电路的发展提供了极具潜力的 p 型二维半导体材料，也为其他二维材料单晶晶圆的制备提供了新思路，对推动二维材料在电子信息领域的应用具有重要意义。

金属研究所博士生孙素、徐川研究员为论文共同第一作者，任文才研究员为通讯作者。国家纳米科学中心刘新风研究员团队、国防科技大学朱梦剑教授团队、清华大学姜开利教授团队、北京大学刘开辉教授团队参与了该研究工作。该研究得到了国家自然科学基金委卓越研究群体项目、青年科学基金项目（B类）、辽宁省“兴辽英才计划”杰出人才项目等的资助。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02669-5

图1. 单层MoSi₂N₄单晶晶圆的生长

图2. 单层MoSi₂N₄单晶的结构表征

图3. Cu(111)单晶表面台阶诱导单层MoSi₂N₄单一取向成核机制

图4. 单层MoSi₂N₄单晶的光学表征

图5. 基于单层MoSi₂N₄单晶的场效应晶体管器件阵列及电学性能