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清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队提出“溶解-析出”方法制备均匀洁净二维材料

来源:清华大学 1559 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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