二维层状过渡金属硫属化物 (TMDCs) 异质结的人工构筑

继石墨烯(零带隙)淘金热之后,二维层状过渡金属硫属化物 (简称TMDCs),缩写为MX2 (M = Mo, W; X = S, Se, Te等) 以其优良的半导体光电属性,带隙性质的可控性 (单层为直接带隙,多层为间接带隙),带隙大小的可调性(从多层MoTe2的1.0 eV到单层WS2的2.1eV),半导体性到金属性的可变性 (通过改变堆叠相位),以及强自旋轨道耦合效应等物理性质,成为了学术界与工业界共同关注的新宠材料 (Nat. Nanotechnol., 7, 699, 2012) 。 在当今半导体工业中,传统的半导体异质结是其中一个重要组成单元。从发光二极管 (LED), 太阳能电池到高速晶体管器件,异质结正扮演着一个越来越不可或缺的角色。而TMDCs的二维层状特性以及各种TMDCs之间较低的晶格失配,为人工构建与实现TMDCs的异质结提供了有利的平台 (Nat. Rev. Mater. 1, 16042, 2016) 。

经过几年的研究与发展,人工制备二维层状过渡金属硫属化物异质结的技术取得了从无到有的进步,多个研究团队采取不同的材料前驱体,通过调控各种不同的制备次序,生长温度,反应气氛等,成功获得了TMDCs的垂直与平面异质结。但是,不同研制方案所制备的TMDCs异质结之间,有着相当显著的区别,而所得的TMDCs异质结本身也具有较大的局限性,例如:平面异质结中不同元素的交叉污染,元素成分的不均匀,TMDCs界面处无法达到原子级平滑过渡等;垂直异质结与平面异质结的交叠混杂等现象。TMDCs异质结制备是一个实验量较大的摸索过程,相比于单元二维材料 (例如石墨烯,MoS2) 较为可控的生长流程,其成功的生长窗口更为精细与狭窄,如何科学有效地调控与优化生长流程,并探究其内在生长机理,是目前学术界面临的一个巨大挑战。

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针对上述问题,香港中文大学电子工程学系许建斌课题组与江南大学合作撰写综述论文,系统地总结了到2016年为止,人工构筑TMDCs异质结的化学气相沉积(CVD)方案,并从合成流程的角度出发,分别对TMDCs垂直异质结的一步法与两步法,TMDCs平面异质结的一步法与两步法进行了深度剖析与探讨。较单元二维材料的制备,TMDCs异质结的成品率对生长过程中的相关实验参数更为敏感:不同前驱体的含量配比、升温窗口的调控、定温时间的长短、生长气氛,特别是引入还原性氢气 (H2) 的时间点与气流量、降温速率的控制,生长衬底的选择等,都会很大程度上改善/降低所得异质结的结构、质量与尺寸,如何科学有效地调控与优化这些实验参数,作者在综述论文里进行了系统的比较与分析。同时,结合TMDCs垂直/平面异质结分布情况与其生长温度的关系,作者采用热力学稳定性分析,阐述了垂直与平面异质结形成的一般物理模型与生长途径,为二维层状过渡金属硫属化物异质结的大面积、高质量的可控人工构建提供了科学依据,为TMDCs异质结的实际应用奠定了基础。该工作在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201603884)上。

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