精準操控「原子級堆疊工程」 實現雙層二硫化鉬「直接能隙」

　　面對AI、高效能運算與低功耗電子需求快速成長，半導體元件持續微縮與新材料開發成為全球科技競爭關鍵。在國科會「晶創臺灣」及前瞻半導體相關計畫支持下，國立臺灣師範大學物理學系藍彥文教授、陸亭樺教授和楊弘偉博士後，與國立成功大學核心設施中心林光儀博士共同領導的研究團隊，於國際頂尖期刊《Nature》發表最新研究成果，成功以化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）精準控制二硫化鉬（MoS₂）雙層材料的原子堆疊方式，製備出具有特殊「1H 堆疊」結構的雙層 MoS₂。

　　研究首次證實，透過原子級堆疊工程，可使原本普遍被認為具有「間接能隙」的雙層 MoS₂呈現「直接能隙」特性，並同時展現更強的激子發光與谷極化（valley polarization），突破雙層二維半導體長期面臨的光電應用限制。

　　這項突破性成果的論文題目為「Stacking-induced direct band gap in CVD-grown 1H MoS₂ bilayers」，四位通訊作者分別臺師大藍彥文教授、陸亭樺教授、楊弘偉博士後，以及國立成功大學林光儀博士。研究團隊透過材料成長、原子尺度結構鑑定、光譜分析、第一原理計算及角解析光電子能譜（ARPES）等多種技術交叉驗證，建立從「原子堆疊」到「電子能帶」再到「光學與谷自由度」的完整物理圖像。

突破雙層二維半導體「間接能隙」限制

　　二硫化鉬等過渡金屬硫族化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）具有原子級厚度、優異的電子與光學特性，是次世代電子與光電元件的重要候選材料。單層 MoS₂具有直接能隙，因此能夠有效產生與發射光；然而當材料增加至雙層時，一般的 2H 或 3R 堆疊會因層間耦合改變能帶結構，使材料轉變為間接能隙半導體，造成光致發光（PL）大幅降低，也限制了雙層材料在發光元件、光偵測器及谷電子學等領域的應用。

　　本研究的關鍵突破在於，研究團隊發展出兩階段 CVD 成長策略，利用快速淬火抑制晶格在成長過程中的重新排列，讓第二層 MoS₂在第一層上方以原子精準對位的方式直接成長，形成過去極難穩定取得的 1H 堆疊結構。原子尺度 STEM、電子繞射與第二諧波產生（SHG）分析均確認雙層晶格具有高度一致的 1H 堆疊，且可在微米尺度範圍內維持此特殊結構。實驗量測顯示，1H 雙層的層間距約為 0.674 奈米，明顯大於 3R 堆疊的約 0.617 奈米，反映其較弱的層間耦合。

研究過程示意圖

從「原子堆疊」直接改寫材料能帶結構

　　研究團隊進一步結合密度泛函理論（DFT）計算與角解析光電子能譜，直接解析 1H 雙層 MoS₂的電子能帶。結果顯示，1H 堆疊因具有較大的層間距與較弱的層間耦合，使價帶頂在 K 點的能量高於 Γ 點，實驗量測得到的能量差約為 57 meV，證實其直接能隙特性。這項結果與傳統 2H、3R 雙層 MoS₂的間接能隙行為形成鮮明對比，顯示僅僅改變兩層原子之間的相對排列，就能重新塑造二維材料的基本電子結構。

　　更令人矚目的是，這種直接能隙並非只反映在電子能帶上。光致發光量測發現，1H 雙層 MoS₂的 A 激子發光強度不僅沒有因增加一層材料而降低，反而約為單層的 1.6 倍，並約為傳統 2H/3R 雙層的 6.8 倍；同時，典型雙層 MoS₂的間接能隙發光訊號幾乎完全消失。這些結果提供了從能帶、激子到光學發光的多重實驗證據，共同支持 1H 雙層 MoS₂具有截然不同的電子與光學特性。

同時提升谷極化，打造新一代量子光電材料平台

　　除了直接能隙之外，研究團隊還發現 1H 雙層 MoS₂具有優異的谷選擇性與圓偏振光學響應。在共振激發條件下，1H 雙層於室溫下的圓偏振度約為 21%，與單層 MoS₂的 18% 相當；在非共振激發條件下，1H 雙層的 A 激子谷極化度則約為單層的兩倍。研究結果指出，特殊的 1H 堆疊可降低層間電子躍遷與谷間散射，使上層材料中的谷自由度得以更有效保存。

　　藍彥文教授表示：「過去大家通常認為，MoS₂從單層增加到雙層後，因為能帶轉為間接能隙，光學效率會下降。這項研究最重要的地方，是我們證明了雙層並不一定代表間接能隙；透過控制原子堆疊方式，可以重新設計材料的能帶結構，讓雙層 MoS₂同時保有雙層材料的優勢與直接能隙、谷極化等光學功能。這提供了一個非常直接的材料設計策略：不只是改變材料成分，而是直接從原子堆疊來工程化量子材料的功能。」

從原子級材料設計走向次世代光電與量子元件

　　陸亭樺教授指出，本研究的重要意義在於建立可重複的直接 CVD 成長方法，而非依賴機械折疊或人工堆疊。透過控制成長動力學，使 1H 堆疊能在大面積晶體中形成並維持，為未來進一步研究堆疊工程、層間耦合與量子物性提供穩定材料平台。這也讓原本多被視為基礎物理問題的「堆疊方式」，成為可以被製程控制、並用來設計元件功能的重要工程參數。

　　林光儀博士表示，本研究透過原子尺度結構鑑定與電子能帶量測，確認 1H 堆疊所造成的特殊能帶排列，並進一步連結到激子發光及谷極化等光學現象。這種從原子結構、電子結構到光學功能的整合研究方式，將有助於未來發展以堆疊工程為核心的二維量子材料設計。

　　研究團隊表示，直接能隙與高谷極化特性使 1H 雙層 MoS₂有望成為新一代超薄光電與谷電子元件的重要材料平台，可進一步探索應用於發光元件、光偵測、光資訊處理、谷電子學及其他量子功能元件。更重要的是，本研究證明「原子堆疊工程」可以作為控制二維材料基本電子與光學性質的新自由度，為後摩爾時代超薄半導體與量子材料的設計開啟新的研究方向。 (資料來源 | 由本校公共事務中心提供)

原文出處：Yang, T.H., Chen, IT., Zhang, MJ. et al. Stacking-induced direct band gap in CVD-grown 1H MoS₂ bilayers. Nature 658, 71–77 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-11069-3