蘇州大學最新JACS：單層碲化鉬厘米級生長！

nanoCJ 2年前 (2021-08-22) 2364瀏覽

【背景介紹】

在二碲化鉬中，不同尋常地共存著巨大的自旋霍爾角和室溫下長距強自旋擴散兩種現象，因此使其成為非常理想的自旋電子器件構筑材料。為了實現這類潛在應用，當務之急是開發出大面積半金屬碲化鉬單層的穩定生長策略。目前的策略如鹵化物輔助的化學氣相沉積（CVD）、靜電摻雜以及分子束外延都可生長一定規模的碲化鉬單層材料，但還未有研究報道厘米級單斜碲化鉬單層的生長。這主要是因為碲化鉬的反應速率常數較低，使得島狀生長優先于連續薄膜生長，導致大面積單層碲化鉬的制備受到限制。

【成果簡介】

蘇州大學的鄒貴付團隊（Liang Ma、Juntong Zhu以及Wei Li為共同第一作者）實現了厘米級單斜二碲化鉬單層的生長并對該生長機制進行了闡釋。顯微學表征揭示了固定化的前驅體顆粒明顯傾向于被單層消耗并源源不斷地為單層的生長提供材料來源。飛行時間二次離子質譜證實了氫氧化物離子貼附在二碲化鉬單層的表面，從而可以抑制晶體沿著[001]晶軸方向的生長并促使二碲化鉬連續生長。第一性原理DFT計算也進一步證實了固定化前驅體顆粒的機制以及氫氧根離子在二碲化鉬單層表面的吸附。由此制備的二碲化鉬單層具有0.19納米的表面粗糙度和1.5 × 10?5 S/m左右的平均導電率，表明二碲化鉬單層展現出了相當的平滑度和均一性。此外，溫度依賴的電學測量和傳輸特性曲線進一步闡釋了單斜二碲化鉬具有典型的半金屬特性。作者認為，這一研究詳細闡釋了固定化前驅體顆粒用以生長大面積碲化鉬單層的微觀過程，為二維材料的生長制備提供了新的思考。研究成果以題為“Immobilized Precursor Particle Driven Growth of Centimeter-Sized MoTe2 Monolayer”發布在國際著名期刊JACS上。

【圖文解讀】

圖一、由固定化前驅體顆粒驅動的二碲化鉬單層生長示意圖

（a）在襯底上旋涂溶液以實現液相前驅體液滴的均勻分布；

（b）加熱過程中液相前驅體脫水形成鉬前驅體顆粒；

（c）二碲化鉬單層消耗顆粒并生長；

（d）生長在藍寶石基質上的厘米級二碲化鉬單層；

（e）前驅體液滴的光學成像；

（f）在沒有碲源供給的情況下退火處理后的前驅體顆粒的光學成像；

（g）二碲化鉬單層邊緣的光學成像及對應的AFM圖像；

（h）均一二碲化鉬單層的光學成像。

圖二、在藍寶石上生長厘米級二碲化鉬單層

（a）不同前驅體溶液中生長的二碲化鉬的單層覆蓋率；

（b, c）不同退火溫度下制備的二碲化鉬樣品的XPS圖譜；

（d）二碲化鉬單層的生長時間相關的光學圖像；

（e）吸附在二碲化鉬單層基面上的二碲化鉬分子的計算反應能圖；

（f）二碲化鉬分子從二碲化鉬單層表面到邊緣擴散的吸附構型；

（g）二碲化鉬-OH樣品的歸一化飛行時間二次離子質譜的深度分析。

圖三、二碲化鉬單層的形貌表征

（a）各類樣品的照片：1 cm × 1 cm的藍寶石襯底、生長了二碲化鉬單層的藍寶石、被轉移的二碲化鉬單層覆蓋的SiO2/Si襯底；

（b）均一二碲化鉬單層的光學圖像；

（c）具有刮痕的二碲化鉬單層的光學圖像；

（d）轉移到柔性PET襯底上的二碲化鉬單層的光學圖像；

（e）單斜二碲化鉬單層的拉曼光譜；

（f）二碲化鉬單層的典型AFM圖像；

（g）AFM圖像顯示二碲化鉬單層的厚度為0.73納米；

（h）在PET襯底上彎曲的二碲化鉬的照片。

圖四、TEM成像對二碲化鉬進行原子結構分析

（a）二碲化鉬單層的低倍TEM圖像；

（b）單斜二碲化鉬的高分辨TEM圖像；

（c）單斜二碲化鉬晶格的橫斷面（上）和面內（下）的原子構型；

（d）二碲化鉬晶體的HAADF圖像以及相應的重疊（e）、鉬（f）、碲（g）的EDS分布；

（h-j）三種不同角度位置的SAED揭示了單斜相中的單晶。

圖五、單斜二碲化鉬單層的電學測量

（a）二碲化鉬單層的電阻測試分布；

（b）二碲化鉬器件溫度相關的電學測量；

（c）電導的阿倫尼烏斯圖揭示了單層單斜二碲化鉬的能壘；

（d）用于PS/二碲化鉬組裝的轉移過程；

（e）二碲化鉬器件的輸出特性曲線；

（f）二碲化鉬的傳輸特性曲線。

【小結】

綜上所述，作者通過固定化前驅體顆粒策略首次實現了厘米級單斜二碲化鉬單層的生長。自旋涂覆前驅體溶液保證了鉬源可以液滴的形式被均勻地分散在襯底上，隨后可被脫水形成固定化顆粒從而阻止前驅體遷移形成大尺寸核。而在二碲化鉬單層生長中起到關鍵作用的氫氧根離子也被混合在前驅體溶液里，可吸附在二碲化鉬單層表面從而阻止晶體在特定方向的生長。進一步地，作者還改造了無刻蝕轉移方法可將二碲化鉬單層轉移到任一襯底上，并通過電學表征證實了二碲化鉬單層具有典型的半金屬特性。這一發現為那些低反應速率的過渡金屬硫化物的大面積制備提供了簡便策略。

文獻鏈接：Immobilized Precursor Particle Driven Growth of Centimeter-Sized MoTe2 Monolayer, JACS, 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c06250.

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