單層半導體性過渡族金屬硫屬化合物(MX2:MoS2, WS2等)是繼石墨烯之后備受關注的二維層狀材料。該類材料具有優異的電學性質、強的光物相互作用、高效的催化特性等優點,在光電子學器件、傳感器件、電催化產氫等領域具有非常廣闊的應用前景。單層MX2材料的批量制備和高品質轉移是關鍵的科學問題?,F有方法仍面臨著諸多重大挑戰,例如, 難以實現晶圓尺寸的層數均勻性、單晶疇區小、生長速度緩慢、生長襯底價格昂貴、轉移過程復雜、容易引入污染物等。 北京大學研發課題組是國內較早開展相關研究的課題組之一,在單層MX2材料的可控制備、精密表征和電催化產氫應用方面取得了一系列重要進展:基于范德華外延的機理,他們在晶格匹配的云母基底上首次獲得了厘米尺度均勻的單層MoS2(Nano Lett. 13, 3870 (2013));在藍寶石上獲得了大疇區單層WS2(ACS Nano 7, 8963(2013));發展了一種新型的金屬性箔材(Au箔)基底,實現了疇區尺寸可調單層MoS2的制備,借助STM/STS表征技術建立起了材料原子尺度的形貌/缺陷態、電子結構和電催化析氫之間的構效關系。
該類材料具有優異的電學性質、強的光物相互作用、高效的催化特性等優點,在光電子學器件、傳感器件、電催化產氫等領域具有非常廣闊的應用前景。
最近課題組在大尺寸均勻MoS2的批量制備以及“綠色”轉移方面取得重要進展。他們選用廉價易得的普通玻璃作為基底,創新性地采用Mo箔。作為金屬源(與S粉共同作為前驅體),采用“face-to- face”的金屬前驅體供給方式,實現了前驅體在樣品上下游的均勻供應,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),獲得了對角線長度可達6英寸的均勻單層MoS2;結合DFT理論計算和系統的實驗結果發現,玻璃基底上微量的Na對材料生長起到明顯的促進作用, Na傾向于吸附在MoS2疇區的邊緣,起到顯著降低MoS2拼接生長能壘的作用,從而促進其快速生長。獲取滿覆蓋單層樣品的生長時間僅為8min,單晶疇區邊緣尺寸可達0.5mm。此外,課題組利用玻璃基底的親水特性,發展了一種無刻蝕的、僅利用超純水輔助的“綠色”轉移方法。該方法適用于晶圓尺寸樣品的快速轉移,且具有操作簡單,轉移樣品質量高等明顯優勢。該工作提出了利用廉價的普通玻璃基底來制備大面積、晶圓尺寸均勻、大疇區單層MoS2的新方法/新途徑,并深入分析了其生長機制,為相關二維材料的批量制備和高效轉移提供了重要的實驗依據,對于推動該類材料的實際應用具有非常重要的意義。
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