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）衬底凭借其高温稳定性、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、原子级生长

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。蓝宝石衬底通过其六方对称性及晶格匹配优势，为MoS₂单晶生长提供了理想平台，但需解决两大核心问题：

界面原子重构机制

通过解析蓝宝石/MoS₂界面结构，发现界面处存在周期性三氧化钼（MoO₃）中间层。该层通过范德华外延生长在单Al终端的蓝宝石表面，将蓝宝石的六重对称性降低至一重对称性，从而促进MoS₂畴的单向排列。MoO₃中间层通过增强电荷转移，提升了MoS₂与衬底的界面耦合力，使生长稳定性提高以上，晶界密度降低。

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。其晶粒拼接畴区电学输运测量显示，载流子迁移率高。

二、界面工程

界面质量直接影响MoS₂的电子结构及器件性能。界面缓冲层控制策略，通过调控MoO₃前驱体比例，在2英寸蓝宝石衬底上外延生长出单层MoS₂单晶薄膜。该薄膜表现出超低缺陷密度、激子谷极化特性及高室温迁移，性能优于机械剥离单晶样品。

衬底邻近掺杂效应可调控MoS₂的光电性质。蓝宝石衬底上的MoS₂荧光特性由激子主导转变为负电荷激子（trion）主导，载流子寿命缩短至传统衬底的1/5。通过建立载流子密度-荧光寿命理论模型，为按需定制高性能光电器件提供了关键手段。

三、性能调控：从单一参数到多场耦合的系统优化

蓝宝石衬底MoS₂的性能调控需综合考虑电学、光学、热学及机械特性：

电学性能优化

通过调控MoO₃中间层厚度，可实现MoS₂能带结构的连续调节。当MoO₃覆盖度为0.8 ML时，MoS₂/蓝宝石界面形成Ⅱ型能带排列，空穴迁移率提升50%，适用于p型晶体管制备。

光学性能增强

蓝宝石衬底在紫外到近红外波段透光率高，结合MoS₂的强光致发光特性，可开发高效率UV LED。通过在蓝宝石表面引入纳米光栅结构，将MoS₂基LED的出光效率提升，接近理论极限。

机械柔性设计

蓝宝石的脆性限制了其在柔性电子中的应用。通过将MoS₂纳米带转移至聚酰亚胺衬底，制备出可弯曲晶体管，为可穿戴设备提供了新方案。