美國本田研究所公司Sci. Adv.：鎳顆粒調控雙層二硫化鉬納米帶的生長寬度

【引言】

二維（2D）材料的寬度降低到納米帶（NRs），會形成準一維納米結構，這能夠為電子行為工程帶來額外的自由度。石墨烯NRs具有可控邊緣結構、手性和超晶格，產生了帶隙的開放和調整、金屬性、拓撲量子相和庫侖阻斷（CB）。但是缺乏直接合成的寬度范圍低于30 nm且保留固有特性的單個NRs，所以寬度限制和邊緣效應所引起的獨特特性在二維TMD NRs中還沒有得到驗證。因此探索控制單個二維TMD NRs寬度的方法，對于進一步深化TMD的應用至關重要。雖然亞10 nm單層MoS₂通道的場效應晶體管（FET）已經通過嵌段共聚物輔助的MoS₂薄片實現。但是所測量的電性能是多個亞10 nm通道長度的集體行為，因此寬度限制的影響沒有得到反映。最近，通過鹽輔助的氣液固（VLS）生長，以及襯底或壁架導向的外延工藝，已經實現了寬度低至50-100 nm的單層MoS₂帶的直接生長。然而，由于寬度仍然大于50 nm，這些MoS₂帶并沒有顯示出與片狀物的明顯區別。此外，與片狀材料相類似，二維材料的雙層NR在層間堆積模式和扭曲角度方面有另一個自由度的可調性，這為發現材料的新特性提供了機會。

【成果簡介】

近日，美國本田研究所公司的Avetik R. Harutyunyan研究員（通訊作者）等人發現，鎳納米粒子既能促進第一層二硫化鉬的異質成核，又能通過氣液固（VLS）機制催化第二層向外延生長，形成寬度由納米粒子直徑控制的雙層納米帶。模擬實驗進一步證實，與傳統的非催化的片狀生長相比，VLS控制的納米帶生長速度要高出傳統方法幾個數量級。在溫度高達60 K下，在納米帶的傳輸特性呈現寬度依賴的庫侖阻斷振蕩，證明了這種合成策略對未來納米電子學具有很高的價值。相關成果以“Nickel particle–enabled width-controlled growth of bilayer molybdenum disulfide nanoribbons”發表在Science Advances上。

【圖文導讀】

圖 1 雙層MoS₂ NRs的生長和結構

（A）SEM圖像顯示每個帶狀物是由一個寬的底層和一個窄的頂層組成的雙層，由一個Ni納米粒子止；

（B，C）經紫外線臭氧和KOH處理后的MoS₂ NRs的SEM圖像；

（D）MoS₂ NRs的AFM圖像；

（E）雙層MoS₂ NR的Raman光譜；

（F）HAADF-STEM圖像；

（G-I）MoS₂雙層帶的原子分辨率HAADF-STEM圖像。

圖 2 生長機理研究

（A）Mo、Ni、Na和S的AES元素Mapping圖；

（B）雙層MoS₂ NR終端區域內Mo、Ni和S的AES元素Mapping圖；

（C）濕潤Ar流下MoO₂+Ni+NaBr混合物沉積的單個粒子的AES元素Mapping圖；

（D）不同前體混合物的DSC曲線；

（E）生長的雙層MoS₂帶的SEM圖像；

（F）底層的寬度（W）作為其長度（L）的函數。

圖 3 模型和DFT計算

（A）雙層MoS₂條帶的雙向生長示意圖；

（B）MoS₆在Ni（111）表面向MoS₂單元催化分解的能量圖。

圖 4 基于MoS₂ NR的雙層FET器件的電氣性能

（A）在300 K和15 K下，偏壓為100 mV時，通道長度400 nm的寬度8 nm的NR器件傳輸曲線；

（B）在300 K和15 K的不同背柵電壓下，器件的輸出特性；

（C）在15 K的30-mV偏壓下，寬度（420-10 nm）、通道長度為200 nm NR的傳輸曲線；

（D）在15-60 K溫度下，寬20 nm NR器件的傳輸曲線。

【小結】

本文發現鎳納米粒子既能促進第一層二硫化鉬的異質成核，又能通過氣液固（VLS）機制催化第二層向外延生長，形成寬度由納米粒子直徑控制的雙層納米帶。并且，通過適當地選擇金屬粒子的組成和生長材料的組合，有可能應用于其他TMD或二維系列，這將豐富NR平臺的量子電子學。

文獻鏈接Nickel particle–enabled width-controlled growth of bilayer molybdenum disulfide nanoribbons（Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.abk1892）。

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