范德华外延法制备超薄二维GeSe2菱形纳米片

二维Ⅳ-Ⅵ族半导体材料具有丰富的层状晶体结构以及载流子类型,同时还具有低成本、元素储量丰富、对环境友好等重要优点,因而在近些年迅速引起科研工作者的兴趣。作为二维Ⅳ-Ⅵ族的重要成员,p型二硒化锗(GeSe2)具有2.7eV的宽带隙,并且属于单斜晶系。由于GeSe2具有多种物相(α-,β-,非晶相),其纯相制备非常困难,同时其特殊的晶体结构导致晶面能与常见的六方晶系层状材料相差甚大,使得超薄GeSe2纳米片的可控制备更加困难。这严重阻碍了其在微电子和光电器件方面的进一步应用。

华中科技大学翟天佑教授课题组避开了传统的化学气相沉积方法,引入了一种全新的Ge源(GeI4),通过范德华外延法实现了超薄二维GeSe2纳米片的可控制备。他们认为传统的金属氧化物熔点高,反应过程中不容易控制形核,同时低熔点的金属有机物盐虽然熔点低但是生长过程气氛复杂,产物结晶性差并得到的是多晶材料,严重损害其电学以及光电性能。而GeI4熔点很低(~146 ℃),与Se粉的熔点(~221℃)接近,这有利于形成稳定均匀的生长环境,同时反应过程的副产物碘单质(GeI4 + 2Se = GeSe2 + 2I2)是合成高质量单晶的理想载气,因而容易得到超薄单晶GeSe2纳米片(~7 nm)。以超薄GeSe2纳米片为载体构筑的光晶体管在室温下大气中具有较高的响应度(2.5 A/W)以及较快的响应速度(0.2 s)。这项研究表明GeSe2纳米片在未来光电器件及柔性器件领域有着重要的应用前景。该制备方法还有可能拓展到其它二维材料的制备,相关研究工作发表在近期出版的Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201703858)。