Adv.Mater.：二維金屬單晶的范德瓦爾斯外延生長方法及其高電導率研究

【引言】

二維金屬的過渡金屬硫化物(MTMD)已經作為一種新興的材料出現在電子相位工程、二維超導、磁體等新型的電子應用中。雖然能夠使用機械剝離法來獲取這樣的二維金屬片，但是成批生產仍然面臨著挑戰。我們需要尋找一種方法來解決這個問題。

【成果簡介】

北京時間8月14日，北京大學優秀青年、特聘研究員張艷鋒（通訊作者）在Advanced Materials 網站上在線發表了一篇文章，題目為“Van der Waals Epitaxial Growth of 2D Metallic Vanadium Diselenide Single Crystals and their Extra-High Electrical Conductivity”。在本文中，研究人員通過“一步”化學氣相沉積法來研究單晶、1T 相位以及在原子級平整云母襯底上的幾層VSe₂的金屬納米片。VSe₂納米片的厚度可以精確地從幾納米調節到幾分之一納米。更重要的是，二維的VSe₂單晶具有極好的金屬特性，導電率高達10⁶Sm^-1，比其他二維導電材料高出1—4個百分點。此外通過低溫輸運測量證實了電荷密度波相變與厚度相關，揭示了合成的二維金屬1T-VSe₂納米片可以作為優良的研究平臺來探測新型的多體形態。這些結果為納米級厚度的二維MTMDs晶體合成及性能研究開辟了一條新的道路。

【圖文導讀】

圖1：運用大氣壓CVD方法在云母上直接合成VSe₂多邊形

a.左圖是范德瓦爾斯外延生長路徑原理圖；右圖是云母上兩個旋轉了60°的VSe₂晶格原理視圖；

b.Se 3d和V 2p軌道的高分辨XPS圖像表征；

c.在TEM網格上，轉移樣品的EDS元素分析；

d,e.對于VSe₂三角納米片中一角，Se 和V的 EDS圖像表征；

f.在云母襯底上，獲得傳統的VSe₂三角和六角形態的OM圖像(400 sccm Ar 和2 sccm H₂作為運輸氣體，生長時間為2分鐘)；

g. 云母上的VSe₂納米片的取向分布直方圖；

h.大約4.9nm厚度的超薄VSe₂納米片的AFM圖像和相應的高度剖面圖；

i. 以VSe₂納米片的平均厚度繪制的Ar流量函數圖。插圖為在300nmSiO₂或Si上轉移的VSe₂納米片的光學圖像。當降低其厚度時，顯示從黃色到紅色的對比度演變；

圖2：VSe₂多邊體的相位結構鑒定及其穩定性試驗

a.云母上原生的六角(藍線)和三角形(黑線)VSe₂納米片的拉曼光譜表征；

b,c.基于A_1g模式的強度，兩圖分別為云母上原生的六角形和三角形VSe₂納米片的2D拉曼光譜表征。插圖為對應的VSe₂納米片的OM圖像；

d.轉移到非晶SiO₂襯底上的VSe₂納米片的XRD圖像；

e.在濕度為13-20%(24℃)的空氣中放置10個月之前和以后，VSe₂納米片的拉曼光譜和OM圖像(插圖)。

圖3：CVD衍生的VSe₂納米片單晶的TEM圖像表征

a,b.超薄三角形和六角形VSe₂納米片的低放大率TEM圖像表征；

c,d.從a圖（藍線）和b圖（紅線）中以數字1—6標記的區域中得到的SAED模型。在模型中標記了關于水平線的虛線的角度；

e,f.三角形和六角形單晶的俯視結構圖；

g.兩個合并的VSe₂域的TEM圖像表征(彼此之間只是輕微的旋轉)；

h,i.從兩個VSe₂域選取的紅點和藍點位置中得到的相應的SAED模型。

圖4：原子級大小的1T-VSe₂單晶結構的TEM圖像表征

a. 1T-VSe₂的三維原理圖；

b. VSe₂晶體折邊的放大TEM圖像表征。插圖為VSe₂晶體折邊的低放大率TEM圖像(用紅色正方形標記)；

c.b圖中白虛線箭頭的強度譜線輪廓(藍線)和扁平線(紅線)。插圖為扁平線的放大圖；

d. VSe₂納米片的原子分辨率的HAADF-STEM，其形狀在插圖中顯示；

e.d圖中用正方形的白虛線突出區域，即根據HAADF強度編碼的偽色圖像區域的放大圖。Se和V的位置分別用黃色和綠色標記；

f.順著e圖中的白色虛線，用同樣的彩色編碼方法得到的強度譜線輪廓。

圖5：超薄金屬VSe₂納米片的電子運輸特性及CDW轉換特性

a.1T-VSe₂的電子態密度原理圖；

b. a圖中VSe₂裝置的電阻率(黑線及箭頭指示)和電導率(藍色虛線及箭頭指示)的溫度相關圖。插圖為：用三角形VSe2納米片(厚度約10nm)制作的傳統的霍爾條裝置；

c. VSe₂納米片、各種導電的二維材料、常見金屬之間電導率的比較；

d. 厚度分別為7、10、22nm的VSe₂納米片電阻率-溫度相關圖。線性的和不規則的區域分別由橙色和藍色標記；

e.厚度約為10nm納米片的Rxx-T(藍線)和dR/dT-T(藍點)曲線；

f. 以VSe₂的厚度函數繪制的CDW轉移溫度(Tp)圖。

【小結】

在本文中，為了合成云母上厚度可調的金屬VSe₂納米片，運用靈活的CVD方法，研究出了范德瓦爾斯外延策略。得到的六角和三角形VSe₂納米片有著高質量的單晶結構、相同的1T相位以及在外界條件下穩定的性質。這個外延生長策略是合成其他超薄金屬二維材料和其范德瓦爾斯異質結構的重要參考。尤其是VSe₂納米片表現出的高電導率，比其他的二維導電材料高1—4個百分點，與傳統的金屬相當。由于這一性質，從CVD得到的樣品可以為FET裝置制作以二維材料為基的電極，也可以構造其他絕緣、半導以及半金屬二維材料的范德瓦爾斯異質結構，有著廣泛的應用。就這一點而言，這個研究工作為二維的MTMD晶體的厚度可調合成體和其特性研究提供了新的思路，有著重要的研究意義。

文獻鏈接：Zhang Z, Niu J, Yang P, et al. Van der Waals Epitaxial Growth of 2D Metallic Vanadium Diselenide Single Crystals and their Extra‐High Electrical Conductivity[J]. Advanced Materials, 2017.

本文由材料人編輯部劉錦錦編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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