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工学院张艳锋课题组在厘米级二硫化钼单晶薄膜制备方面取得重要进展

2020-04-25

近日,材料科学领域的权威杂志《美国化学学会纳米》在线刊发了工学院材料科学与工程系张艳锋教授课题组的研究论文“Epitaxial Growth of Centimeter-Scale Single-Crystal MoS2 Monolayer on Au(111)”,报道了该课题组在厘米级MoS2单晶薄膜的可控制备和生长机理方面所取得的最新研究成果。

继石墨烯之后,单层/少层半导体性过渡金属硫属化合物(MX2: MoS2, WS2等)凭借其优良的半导体光电性质和良好的的热稳定性有望成为延续摩尔定律的候选材料之一。当前大面积集成化电子器件的快速发展对MX2材料的尺寸和质量提出了新的需求。目前化学气相沉积(CVD)法获得的MX2薄膜通常含有大量的畴区边界和晶格缺陷,这些缺陷态作为传导电子的散射中心大幅地降低了器件迁移率等基本物性。单晶材料具有高度一致的晶体质量,对于保证器件性能的均一性非常重要。然而,现有MX2单晶的尺寸仍局限在百微米至毫米量级,无法满足器件高度集成化与大规模应用的需求。因此要实现二维MX2器件的规模化应用,必须先突破大尺寸单晶的制备难题。

北京大学张艳锋课题组是国内较早开展相关研究的课题组之一,在单层MX2及其异质结构的可控制备方面取得了一系列重要成果:他们基于范德华外延的机理,首次在晶格匹配的云母基底上获得了厘米尺寸均匀的单层MoS2薄膜(Nano Lett. 2013, 13, 3870);继而创造性地采用普通玻璃作为基底,通过引入表面催化生长的新机制,把均匀单层MoS2样品的尺寸提升至目前最大尺寸(6英寸)(Nat. Commun. 2018, 9, 979)。为与原位的高分辨表征技术(STM/STS)和直接的电化学性能测试相兼容,他们还发展了基于多晶Au箔的制备体系,实现了畴区尺寸可调的单层MoS2的制备(ACS Nano 2014, 8, 10196; ACS Nano 2015, 9, 4017),二维材料层间异质结构(MoS2/Gr、MoS2/WS2和WS2/MoS2)的直接构筑(Adv. Mater. 2015, 27, 7086;Adv. Mater. 2016, 28, 10664),并将这一制备体系拓展至金属性2H-TaS2薄膜的可控制备(Nat. Commun. 2017, 8, 958)并揭示了其超高的电催化性能。

基于课题组前期工作的积累,近日张艳锋教授在厘米级MoS2单晶薄膜的制备方面取得重要进展。他们通过熔融-固化法将多晶Au箔转化成厘米级Au(111)薄膜,并以此作为范德华外延的衬底,实现了单层MoS2纳米片的单一取向生长,获得了厘米级(1英寸)单晶单层MoS2薄膜。随后,采用低能电子衍射(LEED)、透射电镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)等手段证实了MoS2晶畴的单一取向和无缝拼接特征。合编辑北京大学信息学院的陈清教授课题组对于单晶材料的器件性能测试也进一步证实了单晶薄膜高的晶体质量。此外,他们与清华-伯克利深圳研究院邹小龙教授(共同通讯编辑)合作,探索了MoS2单一取向外延生长的内在机制,发现Au(111)表面的台阶对MoS2畴区的取向具有显著的诱导作用,导致了MoS2沿<110>台阶边缘的成核与单一取向生长。总之,该工作发展了利用金属单晶衬底外延制备大面积单层MoS2单晶薄膜的新方法/新体系,并深入分析了其生长机制,为高质量二维材料的晶圆级制备提供了可能的方案和研究思路,对于推动半导体性二维材料的器件集成和实际应用具有重要意义。


Au(111)单晶上厘米级MoS2单晶薄膜的可控制备和精细表征

相关成果于2020年4月8日在线发表于学术期刊《美国化学学会纳米》(ACS Nano)上(DOI: 10.1021/acsnano.0c01478),文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c01478。论文通讯编辑是vnsc威尼斯城官方网站张艳锋教授、清华-伯克利深圳研究院邹小龙教授和北京大学信息科学技术学院陈清教授,北京大学博士生杨鹏飞、潘双嫄和清华-伯克利深圳研究院博士后张树清为共同第一编辑。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京自然科学基金、深圳市基础研究学科布局项目以及广东省引进创新创业团队计划等的资助。

 

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