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大尺寸均勻單層二硫化鉬可控制備材料

單層半導(dǎo)體性過(guò)渡族金屬硫?qū)倩衔铮∕X2: MoS2, WS2 等）是繼石墨烯之后備受關(guān)注的二維層狀材料。該類材料具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)的光物相互作用、高效的催化特性等，在光電子學(xué)器件、傳感器件、電催化產(chǎn)氫等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。單層MX2 材料的批量制備和高品質(zhì)轉(zhuǎn)移是關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題。現(xiàn)有方法仍面臨著諸多重大挑戰(zhàn)，例如，難以實(shí)現(xiàn)晶圓尺寸的層數(shù)均勻性、單晶疇區(qū)小、生長(zhǎng)速度緩慢、生長(zhǎng)襯底價(jià)格昂貴、轉(zhuǎn)移過(guò)程復(fù)雜、容易引入污染物等。北京大學(xué)張艷鋒課題組是國(guó)內(nèi)較早開展相關(guān)研究的課題組之一，在單層MX2材料的可控制備、精密表征和電催化產(chǎn)氫應(yīng)用方面取得了一系列重要進(jìn)展：基于范德華外延的機(jī)理，他們?cè)诰Ц衿ヅ涞脑颇富咨鲜状潍@得了厘米尺度均勻的單層MoS2 (Nano Lett. 13, 3870 (2013)，他引198次)；在藍(lán)寶石上獲得了大疇區(qū)單層WS2 (ACS Nano 7, 8963 (2013), 他引250次)；發(fā)展了一種新型的金屬性箔材(Au箔)基底，實(shí)現(xiàn)了疇區(qū)尺寸可調(diào)單層MoS2的制備，借助STM/STS表征技術(shù)建立起了材料原子尺度的形貌/缺陷態(tài)、電子結(jié)構(gòu)和電催化析氫之間的構(gòu)效關(guān)系 (ACS Nano 8, 10196 (2014)，他引124次)。上述成果也受邀撰寫綜述文章(Chem. Soc. Rev. 44, 2587 (2015)，他引92次)。最近他們?cè)诖蟪叽缇鶆騇oS2的批量制備以及“綠色”轉(zhuǎn)移方面取得重要進(jìn)展。他們選用廉價(jià)易得的普通玻璃作為基底，創(chuàng)新性地采用Mo箔作為金屬源(與S粉共同作為前驅(qū)體)，采用“face-to-face”的金屬前驅(qū)體供給方式，實(shí)現(xiàn)了前驅(qū)體在樣品上下游的均勻供應(yīng)，使得樣品尺寸可以得到最大限度的放大(僅受限于爐體尺寸)，獲得了對(duì)角線長(zhǎng)度可達(dá)6英寸的均勻單層MoS2; 結(jié)合DFT理論計(jì)算和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玻璃基底上微量的Na對(duì)材料生長(zhǎng)起到明顯的促進(jìn)作用, Na傾向于吸附在MoS2疇區(qū)的邊緣，起到顯著降低MoS2拼接生長(zhǎng)能壘的作用，從而促進(jìn)其快速生長(zhǎng)。獲取滿覆蓋單層樣品的生長(zhǎng)時(shí)間僅為8 min，單晶疇區(qū)邊緣尺寸可達(dá)0.5 mm。此外，他們利用玻璃基底的親水特性，發(fā)展了一種無(wú)刻蝕的、僅利用超純水輔助的“綠色”轉(zhuǎn)移方法。該方法適用于晶圓尺寸樣品的快速轉(zhuǎn)移，且具有操作簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)移樣品質(zhì)量高等明顯優(yōu)勢(shì)。該工作提出了利用廉價(jià)的普通玻璃基底來(lái)制備大面積、晶圓尺寸均勻、大疇區(qū)單層MoS2的新方法/新途徑，并深入分析了其生長(zhǎng)機(jī)制，為相關(guān)二維材料的批量制備和高效轉(zhuǎn)移提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)于推動(dòng)該類材料的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的意義。

北京大學(xué) 2021-04-10

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