二维超薄半导体材料:大面积、单分子层WS2单晶的制备与其光学特性

二维超薄半导体材料-单分子层或几个分子层的过渡金属硫化物,如二硫化钼(MoS2),二硫化钨(WS2),由于其独特的光电特性和在高性能纳米光电器件及生物分子和气体探测器方面的潜在应用受到了学术界的高度重视,成为当前研究的热点材料之一。如何获得大面积、高质量、单原子层过渡金属硫化物单晶是该类材料能否投入实际应用的关键问题之一。最近美国哥伦比亚大学的研究小组用化学气相沉积法制备出尺寸大约为120微米的单分子层的三角形状的MoS2单晶,研究结果发表在《自然-材料》 (nature materials)上。WS2与MoS2 相似,但比MoS2具有更强的自旋-轨道耦合作用和更高的发光效率。然而,关于单原子层WS2的制备鲜有报道。美国宾夕法尼亚大学的研究小组用两步反应化学气相沉积法得到尺寸大约为十几微米的单原子层WS2,且有多原子层和颗粒分布在单原子层表面。有关大面积、高质量的单原子层WS2单晶的制备目前还没有相关报道。

新加坡南洋理工大学数理学院于霆教授及其研究团队尝试利用一步化学气相沉积法,即在惰性气体气氛下用硫蒸汽直接硫化氧化钨(WO3)的方法成功制备出了尺寸大约为200 微米的均匀单分子层的三角形状的WS2单晶。通过系统的光学特性研究观察到制备出的WS2单晶具有很强的发光效率和很好的谷间选择圆偏二色性,进而表明用此种方法制备获得的单分子层的WS2单晶不仅尺寸大,而且光学质量高。该研究结果大大推动了二维半导体材料WS2的实际应用进程。