二维半导体（如单层二硫化钼等）是后摩尔时代高性能电子、光电子器件的核心沟道材料。实现大面积、高质量的二维半导体薄膜制备是推动其实用化的关键，也是该领域的重点研究方向之一。已有大量研究证实，衬底台阶会直接影响二维半导体的形核与横向拼接过程，是决定二维单晶薄膜外延生长的关键要素。依据经典薄膜外延理论，衬底台阶会引入额外的埃利希 - 施沃贝尔势垒，因此高陡台阶会阻碍薄膜横向生长和拼接，造成薄膜断裂不连续。一直以来，二维半导体材料的制备通常优先选用原子级平整、台阶高度仅单原子尺度的衬底。二维半导体材料能否突破台阶高度限制、实现超高台阶的跨越生长，是二维材料原子制造领域亟待解答的基础科学问题，同时也有望为可控应变工程与新型电子器件开辟全新技术路径。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心N07课题组的张养坤博士在杜罗军特聘研究员、张广宇研究员的指导下，联合杜世萱研究员，潘金波副研究员理论团队，揭示了单层二硫化钼在蓝宝石衬底上的非常规跨台阶生长。研究团队成功在蓝宝石衬底上实现单层二硫化钼跨越高达10 纳米陡峭台阶生长，单层二硫化钼薄膜可如同 “悬空小桥” 一般，跨过超过自身厚度15倍的衬底台阶，颠覆传统薄膜外延的固有认知。理论计算表明，该全新跨台阶生长行为由薄膜形变能与界面吸附能之间的竞争主导。基于这一独特跨台阶生长模式，研究团队进一步构筑一维波纹应变结构，实现对称性破缺与各向异性电学性能调控，有效提升了二维晶体管载流子迁移率（提高67.6%）与开态电流密度（提高118.4%）。

图 单层二硫化钼跨台阶生长

相关成果以 “Unconventional cross-step growth of monolayer MoS2 on sapphire” 为题，于 2026 年 7 月 31 日在线发表于《Science Advances》。中国科学院物理研究所的张养坤博士（已毕业）、张旭丹、王旭辉为该论文的共同第一作者，杜罗军特聘研究员、张广宇研究员、潘金波副研究员为该论文的共同通讯作者。本研究工作获得来自中国科学院物理研究所杜世萱研究员、王刚研究员、时东霞研究员、白雪冬研究员等的合作与支持。本工作得到科技部重点研发计划，国家自然科学基金委等项目的资助。