Advanced Functional Materials:亚毫米级单层p型H相VS2

过渡金属硫属化合物(TMDs)因具有新奇而丰富的光学、电学、磁学等性质和丰富的相结构而备受研究者们关注。TMDs的相结构对其物理化学性质起到决定性作用。层状的TMDs晶体通常由S-M-S(S:硫族元素,M:过渡金属元素)结构通过范德华相互作用堆垛组成。根据S-M-S层内原子排布的差异,TMDs具有两种不同的结构基元,即三棱柱构型(H相)和八面体构型(T相)。T相TMDs表现出金属性,而H相通常具有半导体性。半导体性的H相TMDs具有破缺的对称结构、合适的带隙、高迁移率等特性,使其在电子和光电器件领域具有广阔的应用前景。

二硫化钒(VS2)是一种典型的第五副族TMDs,因具有金属-绝缘体转变特性和室温铁磁性而成为研究热点。VS2存在两种相结构,即T相和H相。目前已经被广泛报道的T相VS2具有超高的电导率、优异的电催化活性和室温铁磁性。值得注意的是,H相VS2具有T相所不具备的半导体特性和更大的磁矩,这为电子器件和自旋电子器件的发展创造了更多机会。理论预测表明H相VS2为低能量的基态,这意味着H相VS2可能具有本征铁磁性。同时H相VS2的电子态密度表明其价带和导带之间没有交叠,且费米能级与价带相邻,预示了其p型半导体特性。然而,目前尚未有H相VS2实验相关的报道。H相VS2的制备存在两大挑战:一方面,硫化钒具有多样的化学计量比(例如V2S3,V5S8,VS2),且不同组分间容易发生相互转化,这使得纯相VS2的制备非常困难;另一方面,H相VS2为热力学亚稳相,其生长条件苛刻。鉴于此,可控合成高质量的H相VS2,并推进其电学和光电性质的研究具有重要的意义。

近日,华中科技大学材料科学与工程学院翟天佑教授团队通过熔融盐辅助化学气相沉积(CVD)法成功合成出亚毫米级(最大250 μm)的单层(0.6 nm)H相VS2,并且其尺寸和形貌可精细调控,这为可控制备新型原子级厚度大尺寸二维材料提供了新思路。球差校正透射电子显微镜表明V、S原子为蜂窝状排布,证实了所合成的VS2为H相结构。得益于H相破缺的反演对称性,单层VS2具有强的二阶非线性光学(SHG)性质。同时,电学输运测试表明H相VS2具有典型p型半导体特性。该项成果发现了TMDs的新成员——H相VS2,为基于此材料的后续研究(如高性能光电探测器,铁磁半导体自旋器件等)铺平了道路。相关论文以“Sub-Millimeter-Scale Monolayer p-Type H-Phase VS2”为题在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202000240)上。