ACS Nano：中科院半導體所-異質結一步生長及缺陷誘導生成理論

【引言】

低維度材料（如0D、1D、2D）制備異質結構的使用打開了探索更加有趣的物理性能和更全面的電子工業的大門。最近，2D/2D異質結構被廣泛的研究（通過轉移技術、CVD生長等）和應用，其中最熱門的是單原子厚度石墨烯和過渡金屬硫化物，包括石墨烯/MoS2，WSe2/MoS2，和 WS2/WSe2。與此相反，關于1D/2D異質結構的調研依然是個挑戰并至今相關報道依然很少，關于1D/2D異質結構的相關理論也還沒有很好的建立。

【成果簡介】

最近，中科院半導體研究所的李京波研究員（通訊作者）和魏鐘鳴研究員（通訊作者） 等人闡述了一種通過CVD法在1D-Bi2S3納米線和單層2D-MoS2的基面上一步生成異質結的方法。在研究過程中，研究者們嘗試了各種方法，結論表明在異質結構中Bi2S3納米線和MoS2片層是獨立生長的而不是形成BixMo1?xSy合金，這是因為它們二者之間晶格結構差異較大。以Co為核心缺陷誘導法是制備1D/2D異質結的重要模型且在這些學者的實驗中被系統研究和證實了的有效方法。這種1D/2D異質結構可制備和用于電子/光學器件例如場效應晶體管、光電探測器等，并且這說明他們在電學性能還能有更多的設計和應用。

這種直接生長的納米結構將會幫助我們更好地理解1D/2D異質結的獨特結構及發覺器件功能化的潛在應用。

【圖文導讀】

圖1：Bi2S3/MoS2異質結構的制備及其形態

（a）異質結構的制備過程，其中MoO3 和Bi2O3的混合物作為固體源和硫蒸氣在高溫下反應

（b）異質結構在SiO2/Si基底上的生長模型，其中Bi2S3 納米線位于MoS2納米片層上

（c）生長在SiO2/Si基底上典型的1D-Bi2S3/2D-MoS2異質結構SEM圖

（d）從左到右相應為納米結構的光學、SEM及AFM高度和晶相圖

（e）納米線和三角片層邊緣的夾角統計圖，其中省略部分表示夾角超過30度的部分。

圖2 ：通過XPS方法做的元素分析和微尺度AES測量

（a-c）：在SiO2/Si基底上生長的樣品的XPS圖譜，證明表面有MoS2和Bi2S3相存在

（d-f）S、Mo、Bi的微尺度奧格圖譜，從中我們可以看到三角形納米片層由Mo和S原子組成，納米線由Bi和S組成

（g）相應于(d?f) 中MoS2/Bi2S3異質結構的SEM圖

（h）圖g中1點（納米線）和2點（三角形納米片層）的詳細的奧格圖譜，其中在納米片層的圖譜中Bi的峰明顯出現。

圖3 ：Bi2S3/MoS2異質結的拉曼和PL分析

（a）其中黑線代表在d圖中的黑點處的拉曼光譜，紅線代表通過CVD法單獨生長的純 Bi2S3納米線的拉曼圖譜

（b）綠線代表在d圖中綠點處樣品的拉曼光譜，紅線代表通過CVD法單獨生長的純MoS2納米片層的拉曼譜線

（c）圖d中綠點處樣品的光致發光圖譜

（d）用于測拉曼光譜的Bi2S3/MoS2異質結的光學影像圖

（e、f）在404.4和236.0 cm?1處各自的拉曼強度圖，測量條件為室溫下532nm激光激發

圖4? ：MoS2 納米片層 和Bi2S3納米線的原子結構

（a，b）異質結中納米片層的SAED模式和HR-TEM圖像，其中的蜂巢狀結構和MoS2晶格匹配很好

（c）MoS2納米片層的最佳晶格結構

（d）異質結中Bi2S3納米線的SAED圖。其精確的晶格基面可用于在基面上測量點之間的距離和角度，其中（001），（021），（020）晶面是可以準確劃分的

（e）納米線的高分辨率TEM圖像及其大尺度TEM圖像。納米線的生長方向在d，e圖中可以劃分為[001]

（f）Bi2S3.斜方晶體原理圖

圖5： 通過AFM表征的Bi2S3/MoS2異質結的接觸和成核條件

（a）被探針劃過之前和之后的異質結的光學影像，其中納米線的一半被劃去，使得基底得以暴露出來

（b）在a中紅色框內區域的放大AFM圖，其中用綠色虛線圓圈出來的是成核區域，藍色虛線框內是被Bi2S3納米線覆蓋后暴露的區域。底部右邊的插圖表示的是沿著黑色線的高度剖面，它說明除了成核區域外納米線和納米片層之間沒有聯系

（c）b中相同區域的AFM相圖，其中綠色虛線圓圈表示SiO2基底上的Bi2S3納米線及與其相連的一部分成核區域的MoS2納米片層被去除的區域

圖6 ：通過HR-TEM表征的異質結的成核區域及通過第一原則理論獲得的異質結能量等級

（a）像轉移到TEM網格上的MoS2 片層的光學圖

（b）MoS2納米片層的HR-TEM圖像在a中紅色A區域，左下角的插圖表示TEM形態的FFT模式

（c，d）在a圖中紅色字母B區域中的成核位點的HR-TEM形態

（e） 有單個S原子空缺（表示為紅色圓圈）的MoS2超晶胞的原理圖，其中黃色和灰色分別表示S和Mo原子

（f，g）位于常規S原子（區別于e中超級晶胞中的S空位和缺陷）之上的Bi原子的最優模型

（h）通過第一原則理論得到的e-g系統的能量等級比較

（i）有一個Mo（藍色）和兩個S（紅色）缺位的MoS2超晶胞示意圖

（j，k）位于常規S原子（區別于i中超級晶胞中的1Mo-2S缺位）之上的Bi原子的最優模型

（l）i-k的能量等級對比圖

文獻鏈接：Co-nucleus 1D/2D Heterostructures with Bi2S3 Nanowire and MoS2 Monolayer: One-Step Growth and Defect-Induced Formation Mechanism（ACS Nano, 2016, DOI:10.1021/acsnano.6b04952 ）

本文由材料人電子電工學術組王小瘦供稿，材料牛整理編輯。

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