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)問題?,F(xiàn)有方法仍面臨著諸多重大挑戰(zhàn),例如,難以實現(xiàn)晶圓尺寸的層數(shù)均勻性、單晶疇區(qū)小、生長速度緩慢、生長襯底價格昂貴、轉(zhuǎn)移過程復(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),他引198次); 在藍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)。最近他們在大尺寸均勻MoS2的批量制備以及“綠色”轉(zhuǎn)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(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),獲得了對角線長度可達6英寸的均勻單層MoS2; 結(jié)合DFT理論計算和系統(tǒng)的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),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(qū)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8 min,單晶疇區(qū)邊緣尺寸可達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,且具有操作簡單,轉(zhuǎn)移樣品質(zhì)量高等明顯優(yōu)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(qū)單層MoS2的新方法/新途徑,并深入分析了其生長機制,為相關(guān)二維材料的批量制備和高效轉(zhuǎn)移提供了重要的實驗依據(jù),對于推動該類材料的實際應(yīng)用具有非常重要的意義。
北京大學(xué)
2021-04-10