清華-伯克利深圳學院成會明、劉碧錄團隊NSR: “溶解-析出”方法制備均勻、潔凈二維材料

【引言】

二維（2D）過渡金屬硫族化合物（TMDCs）因其優異的電學、光學、力學和磁學性能，以及其在電子、光電子和自旋電子器件等領域的廣闊應用前景，近年來一直引起人們的廣泛關注。化學氣相沉積（CVD）是生長2D材料的重要方法之一。然而在傳統的CVD生長過程中，（i）金屬源在空間上的分布不均勻，導致不同區域的樣品的成核密度、尺寸大小、層數等不一致；（ii）反應中的金屬源和非金屬源共享同一擴散路徑，會同時發生表面反應和氣相反應，而后者往往會在生長的樣品表面沉積副產物，導致樣品表面污染。因此開發一種新方法以實現大面積均勻、表面潔凈的2D材料顯得至關重要，是提高2D?TMDCs在高性能電子和光電子器件應用的前提。

【成果簡介】

近日，清華-伯克利深圳學院（TBSI）成會明、劉碧錄團隊開發了一種基于“溶解-析出”機理生長2D?TMDCs的普適性方法。該方法將金屬源包裹于玻璃夾層內，金屬源在高溫下向玻璃表面擴散，實現其在襯底表面的均勻供給；同時將TMDCs的生長限制于襯底表面，避免了氣相反應發生所產生的副產物。采用該生長策略實現了在厘米級襯底上生長均勻、表面潔凈的單層MoS₂。通過結構和光學表征顯示，該方法生長的TMDCs具有較高的電學、光學質量。研究人員發現該方法也適用于WS₂、MoSe₂、MoTe₂、Mo_xW_1-xS₂合金、金屬元素摻雜等其它2D材料的生長，具有很好的普適性。該“溶解-析出”生長方法解決了TMDCs生長過程中金屬源供給不均勻，反應路徑難以控制等問題，有望進一步推動TMDCs在高性能電子器件等領域的應用。研究成果以“Dissolution-Precipitation Growth of Uniform and Clean Two Dimensional Transition Metal Dichalcogenides”（“溶解-析出”法生長均勻、潔凈的二維過渡金屬硫族化合物“）為題，發表于National?Science?Review（《國家科學評論》）。

【圖文導讀】

圖1. “溶解-析出”生長方法設計策略及其與傳統CVD方法的對比

圖2. “溶解-析出”生長的單層MoS₂在厘米級襯底上均勻分布

圖3. “溶解-析出”生長的單層MoS₂具有潔凈的表面和高質量

該論文共同第一作者為清華-伯克利深圳學院（TBSI）2016級博士生蔡正陽，2018級碩士生賴泳爵，論文通訊作者為成會明院士和劉碧錄教授，論文作者還包括博士生趙仕龍，張榮杰，譚雋陽等。該研究由國家自然科學基金委以及深圳市經信委、科創委和發改委等部門支持。

原文鏈接：Dissolution-precipitation growth of uniform and clean two dimensional transition metal dichalcogenides (National Science Review, nwaa115, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa115)

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa115/5849031?searchresult=1