二维过渡金属硫化物（TMDCs）中，二硫化钼（MoS₂）因其层状结构、良好的电学/光学性能及原子级厚度特性，被视为突破硅基器件物理极限的关键候选材料。其中，蓝宝石（α-Al₂O₃）衬底因其高温稳定性、六方晶系对称性及成熟的加工技术，成为MoS₂外延生长的主流平台。

一、单晶薄膜的可控制备

MoS₂单晶薄膜的制备是产业化应用的基础。传统CVD法在SiO₂/Si衬底上生长的MoS₂晶畴取向随机，导致晶界缺陷密度高，载流子迁移率受限。

1. 界面原子重构机制

通过原子级表征发现，蓝宝石表面存在单Al终端结构，其与MoS₂之间形成周期性MoO₃中间层，通过范德华外延降低界面能垒，促进MoS₂畴的单向排列。该机制揭示了界面电荷转移对晶格取向的调控作用，为单晶生长提供了理论支撑。

2. 衬底对称性工程

利用两重对称的A面蓝宝石衬底，通过降低表面对称性进一步限制MoS₂生长自由度，实现了长方形晶粒的定向排列，晶界密度降低。通过蓝宝石a面各向异性原子排列，合成了单向排列的MoS₂纳米带，为能源器件应用开辟新路径。

3. 缓冲层控制策略

界面缓冲层调控技术，通过控制MoO₃前驱体比例，在蓝宝石衬底上外延生长出单层MoS₂单晶薄膜，性能接近理论极限。该策略突破了传统斜切角衬底设计的局限性，为工业化生产提供了可复制的工艺范式。

二、核心技术挑战

1. 生长均匀性与缺陷控制

当前CVD法生长的MoS₂薄膜仍存在厚度波动及点缺陷密度较高的问题。蓝宝石衬底虽能提供稳定支撑，但其高硬度导致加工过程中易引入表面划痕，进而引发MoS₂外延层位错。需开发超精密抛光技术（如化学机械抛光CMP）将衬底粗糙度降低，同时优化生长参数以抑制缺陷生成。

2. 晶圆级转移技术

二维材料需从生长衬底转移至目标衬底（如硅、柔性聚合物）以构建器件。传统湿法转移依赖化学溶液，易导致MoS₂破裂及聚合物残留；干法转移虽避免液体干扰，但金属中间层剥离易引入金属杂质。

3. 热管理与可靠性

蓝宝石热导率虽能满足一般LED需求，但在高功率电子器件中易形成热积累。MoS₂与蓝宝石的界面热阻较高，需通过界面工程（如引入石墨烯缓冲层）降低热阻。此外，蓝宝石的脆性导致其抗冲击性能较弱，需开发复合衬底结构（如蓝宝石/氮化铝叠层）以提升机械可靠性。

三、实际应用转化的挑战

1. 生长工艺的可重复性

尽管在实验室条件下取得了进展，但大规模生产中仍面临可重复性问题。衬底表面制备的高度复杂性以及非标准化的实验条件，导致生长结果的不可预测性。例如，传统的衬底台阶工程策略在实际应用中难以实现高度一致的生长效果。

2. 薄膜转移技术

在实际应用中，MoS₂薄膜通常需要从蓝宝石衬底转移到其他衬底上，以满足不同的器件需求。然而，转移过程可能会引入缺陷或损伤薄膜。例如，在转移过程中，MoS₂薄膜与衬底之间的附着力较弱，可能导致薄膜的脱落。此外，转移后的薄膜需要保持高质量和均匀性，这对转移技术提出了更高的要求。

3. 器件性能优化

虽然MoS₂薄膜在实验室中展现出了良好的电学和光学性能，但在实际器件应用中，还需要进一步优化。例如，通过堆叠转移技术制备的双层MoS₂器件表现出更低的接触电阻和更高的迁移率，但其性能仍需提升以满足大规模集成电路的需求。

4. 成本与效率

从基础研究到实际应用的转化过程中，成本和效率是关键因素。目前，MoS₂薄膜的制备过程较为复杂，且需要高精度的实验设备和严格的生长条件，这限制了其大规模生产和应用。此外，优化生长工艺和提高薄膜质量需要大量的实验和计算模拟，这增加了研发成本。