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2020-06-03
近日，清华-伯克利深圳学院（以下简称TBSI）成会明、刘碧录团队开发了一种基于“溶解-析出”机理生长二维过渡金属硫族化合物的普适方法。研究成果以“‘溶解-析出’法生长均匀、洁净的二维过渡金属硫族化合物”（Dissolution-Precipitation Growth of Uniform and Clean Two Dimensional Transition Metal Dichalcogenides）为题，发表于《国家科学评论》（National Science Review）。
二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）因其优异的电学、光学、力学和磁学性质，以及其在电子、光电子和自旋电子器件等领域的应用前景，近年来引起了研究人员的广泛关注。化学气相沉积（CVD）是生长二维材料的重要方法之一。然而在传统的CVD生长过程中，存在以下两个问题：金属源在空间上的分布不均匀，这导致不同区域样品的成核密度、尺寸、层数等不一致；材料生长过程中金属源和非金属源共享同一扩散路径，这导致表面反应和气相反应同时发生，而后者往往会在生长的样品表面沉积副产物，污染样品。开发基于新原理的新生长方法，实现大面积均匀分布、表面洁净的二维材料的可控制备，是实现二维材料在高性能电子和光电子器件领域应用的前提。
成会明、刘碧录团队开发了一种基于“溶解-析出”机理生长二维TMDCs的普适方法。与传统生长方法不同，该“溶解-析出”生长方法将金属源包裹于玻璃夹层内，金属源在高温下向玻璃表面扩散，进而实现其在衬底表面的均匀供给；同时金属源与非金属源通过不同的路径供给，进而将TMDCs的生长限制于衬底表面，避免了气相反应的发生和副产物的生成。
“溶解-析出”生长方法的设计策略及其与传统CVD方法的对比
“溶解-析出”生长的单层二维MoS2在厘米级衬底上均匀分布
“溶解-析出”生长的单层二维MoS2具有洁净的表面和高质量
通过结构、电学和光学等研究发现，该“溶解-析出”方法生长的二维TMDCs具有高的电学和光学质量。研究人员发现该方法也适用于二维WS2、MoSe2、MoTe2、MoxW1-xS2合金、金属元素掺杂等其他二维材料的生长，具有很好的普适性。该“溶解-析出”生长方法解决了TMDCs生长过程中金属源供给不均匀、反应路径难以控制等问题，对理解CVD生长TMDCs过程中的基础科学问题和设计新型CVD生长体系具有重要指导意义，相关设计策略和生长方法有望拓展至其他材料体系，进一步推动二维材料在高性能电子器件等领域的应用。
论文共同第一作者为清华-伯克利深圳学院2016级博士生蔡正阳、2018级硕士生赖泳爵，通讯作者为成会明院士和刘碧录副教授。该研究得到国家自然科学基金委、科技部，以及深圳市工信局、科创委和发改委等部门支持。
论文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa115/5849031?searchresult=1
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