Adv. Mater. ：清華大學-CVD可控制備高質量多層MoS2

【引言】

具有本征帶隙的二維MoS₂由于其在電子和光電子器件方面的顯著潛力而引起了極大的關注。 但是，由于這種材料的遷移率相對較低（甚至低于多晶硅），這大大地阻礙了其邁向實際應用。目前已經有一系列針對單層MoS₂的研究，但是與此同時多層MoS₂的研究相應的有所缺失。然而實際上，由于具有較高的態密度，多層MoS₂具有比單層MoS₂高得多的遷移率和驅動電流，這使得多層MoS₂在薄膜晶體管、邏輯器件和傳感器等方面更具應用前景。 然而，到目前為止報道的多層MoS₂的優異性能是通過機械剝離獲得的，這并不適合實際應用，而目前化學氣相沉積（CVD）合成的多晶多層MoS₂薄膜，顯示出低得多的遷移率。

【成果簡介】

為了推進多層為了推進多層MoS₂的實際應用，清華大學焦麗穎教授（通訊作者）等人通過CVD方法生長出高度結晶的多層MoS₂薄片解決了上述問題。可以實現高達20層的MoS₂以良好限定的AA順序堆疊在一起，而且每層的邊緣是原子級平滑的Mo原子鋸齒形結構。多層溝道、原子級有序的邊緣以及理想的接觸幾何形狀使得這些CVD生長的多層MoS₂薄片表現出優于機械剝離多層MoS₂的電性能。除了場效應晶體管之外，這些多層MoS₂晶體管也適合于構建基于單層-多層MoS₂結的整流二極管。文章中的制備方法使高品質多層MoS₂更易于構建多功能高性能電子設備，從而使二維MoS₂在未來的電子器件中更具競爭力。該成果以“High-Mobility Multilayered MoS_2?Flakes with Low Contact Resistance Grown by Chemical Vapor Deposition”為題于2017年2月發表在期刊Advanced Materials上。

【圖文簡介】

圖1 ?合成不同層數的MoS₂薄片

a)使用拱形氧化Mo箔作為反應前體CVD生長MoS₂的示意圖。

b)生長產物的大尺寸光學圖像，顯示了15-20層MoS₂的生長，產率≈70％，比例尺：50μm。

c-f)CVD生長的單層、5層、8層以及17層MoS₂薄片的光學圖像。

g,h)12層MoS₂的光學圖像以及AFM圖像，其中MoS₂具有≈20μm的邊長。

i)所示的是g)中MoS₂樣品的拉曼mapping 圖像，其具有在404cm -1處的峰。

j) 該MoS₂樣品的PL mapping 圖像，其峰值在1.80eV峰處。c-j)中的比例尺均為5μm。

圖2 CVD生長MoS₂薄片的層依賴光譜表征

a) 分別是1,2,3,4,6,9和10層MoS₂的光學圖像。比例尺：5μm。

b-d)分別對應a)中MoS₂薄片的拉曼、PL和SHG譜。

e)E2g1、A1g拉曼模式的層依賴頻率及其差異。f)層依賴性PL峰位置和強度。g)層依賴性SHG強度。

圖3 實驗制備的多層MoS₂的TEM和STEM表征結果

a)懸浮在多孔碳TEM網格上的CVD生長的多層MoS₂薄片TEM圖像。比例尺：1μm。

在a)圖中多層MoS₂上標記的1和3的SAED圖像分別如b)圖和c)圖所示。

d)STEM-HAADF圖像以及e)另一個多層MoS₂薄片（補充信息）1-2層邊界處的模擬圖像。藍色和黃色球分別表示Mo和S原子。比例尺：1nm。

f)從左到右分別是1至8層MoS₂的STEM-HAADF模擬圖像。比例尺：1nm。g)AA堆疊的多層MoS₂的原子結構。面內Mo-S鍵的方向相同，頂層的S原子與底層的六角形中心重疊。

圖4 CVD生長的多層MoS₂薄片的電學性能

a,b)多層機械剝離MoS₂和CVD生長的MoS₂薄片中的電學接觸幾何形態的示意圖。

c)在1V的偏壓下16層MoS₂的Ids-Vgs特性。插圖：在40V的柵極電壓下的Ids-Vds曲線以及器件的光學圖像。比例尺：5μm。

d)柵極電壓為0V時測量的1-8層MoS₂結的Ids-Vds特性。插圖：器件的光學圖像。比例尺：5μm。

層數依賴的e)電子遷移率和f）Vgs=40V和Vds=1V時電流測量值的統計數據，其中紅色柱表示CVD生長的MoS₂薄片，藍色柱表示機械剝離的MoS₂薄片。

【小結】

總的來說，該研究開發了一種可控的方法，用于生產高質量的多層MoS₂，同時可以自然地引入理想的電學接觸幾何形態，以實現優秀的基于二維MoS₂器件性能。此外，由于CVD生長的多層MoS₂晶體具有良好排序的AA堆疊結構，使其具有破缺的反演對稱性，因而多層MoS₂晶體能夠用于研究非線性光學和谷物理學。

文獻鏈接：High‐Mobility Multilayered MoS_2?Flakes with Low Contact Resistance Grown by Chemical Vapor Deposition ?(Adv. Mater. , 2017 , DOI: 10.1002/adma.201604540)

本文由材料人電子電工學術組天行健供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，請加入材料人電子電工材料學習小組（QQ群：482842474）

材料測試，數據分析，上測試谷！