Small:两重对称A-面蓝宝石衬底诱导取向控制生长高质量MoS2材料

二硫化钼(MoS2)是过渡金属硫属化合物(TMDs)材料家族中研究最为广泛的一员,凭借其独特的能带结构和新奇的物性在未来电子和光电子器件领域具有重要的应用前景。目前,研究者们利用化学气相沉积(CVD)生长技术已成功制备出大面积单层MoS2薄膜材料,为其走向期器件化应用迈开了坚实一步。然而,在目前的众多报道中,一般都是采用SiO2/Si作为生长单层 MoS2薄膜的衬底,由于该衬底自身表面呈无定形结构,CVD生长所得MoS2晶畴取向随机,导致MoS2材料中存在大量晶界,严重影响了MoS2材料的载流子输运、光学性能、机械性能甚至化学稳定性。因此,实现大面积高结晶质量二维MoS2单晶薄膜的可控制备是该材料当前研究的重要任务之一,也是其在高性能集成器件领域应用所面临的一大挑战。

控制MoS2在衬底表面生长的晶格取向分布,实现晶粒取向单一化,被认为是有效消除或减少晶界的重要方法之一。近年来,研究人员已在六方氮化硼、石墨烯、C面蓝宝石等多种单晶衬底上实现MoS2或WS2的取向控制生长。特别是在协同控制生长参数的条件下,可在具有三重对称结构的C面蓝宝石衬底表面显著降低MoS2的晶格取向分布。上述研究表明,MoS2晶粒取向与衬底的晶格对称性密切相关,且衬底对称性的降低有助于减少MoS2晶粒的取向分布,这是因为衬底对称性的降低将直接影响材料生长的自由度。由此可以推断,如果进一步降低生长衬底的对称性,将有效限制MoS2的取向分布,从而使可控制备大面积MoS2单晶薄膜成为可能。与目前被广泛使用的三重对称的C面蓝宝石相比,两重对称的A面蓝宝石与其有着完全不同的表面原子结构,已被用于碳纳米管水平阵列的定向生长制备。因此,两重对称的A面蓝宝石衬底为进一步降低MoS2材料晶格取向分布提供了重大契机,但相关研究至今尚未报道。

近日,陕西师范大学材料科学与工程学院徐华教授课题组采用CVD生长方法,在A面蓝宝石衬底表面实现了取向高度一致长方形MoS2的可控制备。通过探究发现,与C面蓝宝石表面生长所得晶格取向分布较宽的三角形MoS2晶粒不同,两重对称A面蓝宝石表面生长所得MoS2晶粒具有更窄的晶格取向分布,且晶粒形貌为长方形。此外,生长温度对MoS2的取向分布与形貌演变有重要影响,较高的生长温度有利于MoS2的定向生长,且更易于或得长方形MoS2晶粒。对比研究发现,晶格取向一致长方形MoS2晶粒的荧光要比随机取向三角形MoS2晶粒的荧光弱很多,表明MoS2晶粒与衬底间强的相互作用是其定向生长的关键因素。此外,光谱和显微测量结果表明,晶格取向高度一致的MoS2晶粒彼此之间自然拼接时,基本上不会产生缺陷晶界。在此基础上,作者通过密度泛函理论(DFT)的模拟计算,解释了A面蓝宝石诱导MoS2晶粒的形貌演变和定向机制。取向高度一致MoS2晶粒拼接畴区的电学输运测量发现,晶粒拼接畴区未对载流子输运产生显著影响,证实晶粒拼接畴区具有高的晶格质量。以上研究工作为未来制备大面积二维TMDs单晶薄膜提供了很好的参考和借鉴。相关结果已发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202000596)上。