蓝宝石（α-Al₂O₃）因其六方对称、高化学惰性与热稳定性，已成为单层/多层二硫化钼（MoS₂）理想的外延衬底之一。蓝宝石衬底MoS₂的“定制化”生长（取向、缺陷、层数、界面耦合）到“规模化”转移-键合-集成的全链条技术路线，其在柔性电子、光电芯片及异质结量子器件中有应用。

一、界面原子机制

1. MoO₃中间层的发现

蓝宝石衬底与MoS₂的界面存在模糊的过渡层，推测为表面终端结构或硫/钼钝化层，但缺乏直接实验证据。

能量稳定性：MoO₃中间层的原子间距与实验观测完美吻合，形成热力学稳定结构；

电荷转移增强：DFT计算显示，MoO₃层通过促进电子转移，将MoS₂与衬底的界面耦合力提升，降低生长过程中的热应力；

对称性破缺：MoO₃覆盖层将蓝宝石表面的六重对称性降低至一重对称性，诱导MoS₂畴的单向排列，为单晶生长提供定向驱动力。

2. 界面工程策略：从“被动承载”到“主动调控”

基于MoO₃中间层的发现，科研团队提出“覆盖率-动力学”双控模型：通过调控MoO₃层的覆盖程度（0.5-1.2 ML），可定量控制MoS₂的生长速率与取向一致性。例如：

低覆盖率（<0.8 ML）：MoS₂畴呈多向排列，形成多晶薄膜；

高覆盖率（>1.0 ML）：MoS₂畴沿单一方向延伸，实现单晶晶圆的外延生长。

这一模型为工艺参数优化提供了理论依据，使2英寸单层MoS₂单晶晶圆的良率从传统方法提升。

二、工艺创新

1. CVD生长工艺

前驱体设计：采用MoO₃与硫粉作为前驱体，通过气相输运反应（MoO₃ + S → MoS₂ + SO₂）实现原子级沉积。

衬底预处理：蓝宝石衬底需经过化学机械抛光（CMP）与氢等离子体清洗，将表面粗糙度（RMS）降低，消除晶格缺陷对MoS₂生长的干扰。

动态温度控制：通过多区电阻加热炉实现衬底温度的梯度分布，避免热应力导致的晶界开裂。

2. 规模化制备

晶圆尺寸扩展：通过斜切角蓝宝石衬底与原子台阶诱导成核技术，实现2英寸MoS₂单晶晶圆的外延生长，性能接近机械剥离样品。

低成本转移技术：范德华力解耦/重组策略，利用水分子插入界面降低粘附力，实现MoS₂薄膜从蓝宝石衬底到目标衬底（如硅、玻璃）的无损转移，转移效率高，为柔性电子与显示器件的集成提供了关键技术。