Chem. Mater.封面：石英襯底對單層二硫化鎢的多重調控

【引言】

生長襯底在二維（2D）過渡金屬硫族化合物(TMDCs)的合成及性質調控方面起到關鍵作用。通常，生長襯底的功能和它的晶體結構和性質息息相關。譬如，sapphire和mica襯底由于具有和TMDCs相似的對稱性和較高的晶格匹配，可以控制外延材料的生長方向，減少晶疇界面的缺陷密度；而低對稱性的襯底如SrTiO₃或SiC等表面具有各向異性的擴散勢壘，能夠影響外延材料的形貌；Fused silica具有較低的熱膨脹系數，能夠在外延的雙層MoSe₂中產生較大的拉伸力，實現間接帶隙到直接帶隙的能帶轉變。然而，之前報導襯底雖然能夠在某些領域發揮作用，但它們的功能單一，對于TMDCs性質的控制有限，極大地限制了TMDCs復雜結構（如：大面積一維TMDCs納米帶，一維/二維復合TMDCs）的制備及潛在應用的實現。

【成果簡介】

近日，南方科技大學程春課題組報導了m面單晶石英能夠作為一種多功能的襯底，有效控制單層二硫化鎢(WS₂)的生長方向并調控其能帶結構和形貌維度。相關成果近期以“Multiple Regulation over Growth Direction, Band Structure, and Dimension of Monolayer WS₂ by a Quartz Substrate”作為封面文章發表于《Chemistry of Materials》上。香港科技大學王寧教授，清華大學劉鍇教授，西悉尼大學Abbas Amini教授，河海大學唐春梅教授在材料表征及理論計算方面給予了該工作幫助。該項工作得到了粵港創新合作，廣東高水平人才計劃，香港研究資助局等項目的經費支持。

【圖文導讀】

圖1 外延單層WS₂和單晶石英的取向關系。

(a)生長示意圖；

(b)外延生長的單層WS₂在m面石英的掃描電子顯微圖；

(c)WS₂的取向統計。

圖2 WS₂和單晶石英的匹配關系示意圖及不同角度下的結合能。

(a)WS₂和石英的匹配結構（俯視圖）；

(b)WS₂和石英的匹配結構（側視圖）；

(c)WS₂在石英上不同角度示意圖；

(d)角度相關的結合能。

圖3單層WS₂能帶從直接帶隙到間接帶隙的轉變。

(a)應力和溫度關系示意圖；

(b)轉移后WS₂隨溫度變化的PL譜圖；

(c)生長的WS₂隨溫度變化的PL譜圖；

(d)隨溫度變化的X,X^-,I峰位置；

(e)隨溫度變化的X,X^-,I峰強度；

(f)單層WS₂在0%和5%壓縮下的能帶圖；

(g)理論計算的直接/間接帶隙隨壓縮應力的變化；

(h)實驗測得隨溫度變化的直接帶隙；

(i)溫度與應力的關系。

圖4單層WS₂維度從準一維的梯形向二維三角形的演化。

(a-d)不同生長時間下，WS₂的光學顯微圖；

(e)WS₂長徑比隨時間變化關系；

(f)WS₃單體在m-石英表面擴散方向示意圖；

(g)不同擴散方向的勢壘；

(h)單體濃度隨生長時間變化；

(i)WS₂隨時間變化由擴散受限生長到擴散自由生長。

【小結】

M面石英的特殊結構和性質在以下方面影響著外延生長的WS₂: 1.各向異性的晶格匹配有助于外延生長WS₂的方向控制；2.較大的熱膨脹系數能夠產生壓縮應力，原位實現單層WS₂從直接帶隙到間接帶隙的轉變；3.各向異性的擴散勢壘能夠影響WS₂的生長擴散，進而調控其形貌維度。這篇工作不僅加深了襯底和外延材料關系的理解，還為控制2D TMDCs的生長提供了有效的方法。此外，直接在生長襯底上調控材料的性能也為設計復雜結構TMDCs及其相關應用提供了更多的可能。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b05124

Chem. Mater. 2020, 32, 6, 2508-2517

Publication Date:February 25, 2020

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b05124

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