合成高品质毫米尺度1T’相过渡金属碲化物的简单方法和其近场纳米光学特性

过渡金属二碲化物未来在许多科技领域具有广阔的潜在应用前景,如自旋电子学,新型开关器件和高效热电器件等。作为碲化物的代表,MoTe2具有两种稳定的晶相,分别为2H 相和1T’相,而WTe2在自然界中只能以1T’相稳定存在。 MoTe2和WTe2材料由于其强自旋轨道耦合效应以及易于实现相变等新颖电子特性,已成为二维材料研究的前沿领域。例如,MoTe2可以通过激光诱导在2H相和1T’相之间转换,从而解决2H相 MoTe2电子器件的欧姆接触问题。此外,基于对电子和空穴带的完美补偿,在超强磁场中发现了WTe2体材料的不饱和巨磁阻效应。此外,在薄层WTe2材料中,磁阻效应可以通过改变栅极电压从正磁阻效应转变为负磁阻效应。并且MoTe2和WTe2材料以及MoxW1-xTe2三元合金在理论上被预测为II型Weyl半金属的潜在材料,最近MoTe2体材料的Weyl点和表面费米弧已经被实验观察到。更有趣的是,单层MoTe2和WTe2还被认为很可能是大能隙量子自旋霍尔绝缘体的潜在材料。所有这些新奇的特性使得MoTe2和WTe2材料成为研究新奇物理现象,如非局部量子振荡和超导特性的绝佳平台。因此,实现高质量大面积二维1T’相MoTe2和WTe2单晶的可控制备,对于MoTe2和WTe2材料的基础研究和未来潜在的应用都十分重要。

化学气相沉积(CVD)技术已经在可控厚度、高质量过渡金属硫化物和硒化物合成领域取得了很多重要进展。然而,对于碲化物,由于W/Mo与Te的化学反应活性低;W/Mo和Te之间的电负性差异小(〜0.4或0.3eV),通过传统CVD方法直接生长二维MoTe2和WTe2材料存在很大的挑战。

最近,中山大学电子与信息工程学院的陈琨教授与香港中文大学电子工程系的许建斌教授(共同通讯作者)合作通过使用普通盐(NaCl或KCl)作为生长促进剂,结合低成本可溶性钼酸铵四水合物(NH46Mo7O24•4H2O和钨酸铵水合物(NH410W12O41•xH2O分别作为Mo源和W源,使用常压化学气相沉积(APCVD)方法,生长出高质量、大面积单层和少层1T’相MoTe2(长度〜1mm)和WTe2(长度〜350μm)晶体。此外,研究人员首次在所合成的1T’相二维MoTe2和WTe2薄层晶体(厚度:2〜3nm)表面进行了近场纳米光学成像研究。得到1T’相二维MoTe2(λp〜140nm)和WTe2(λp〜100nm)的亚波长效应。

研究人员所提出的简单低成本合成方法,为那些难以通过传统CVD工艺直接合成的特殊过渡金属硫属化物(TMDCs)材料(不仅限于碲化合物)的发展铺平了道路,并促进了未来二维碲化物极化子领域的研究。

相关论文近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201700704),中山大学陈琨教授和香港中文大学陈泽锋博士为论文共同第一作者。

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