Advanced Materials:化学气相沉积生长具有高迁移率和光学各向异性的新型二维原子晶体PdSe2

二维材料相比于传统的块体半导体材料,具有纳米级别的厚度和新奇的物理性质,近年来成为了低维光电子学领域的研究热点之一。二维材料体系中最常见的晶体构筑单元是六边形,如石墨烯、二硫化钼(MoS2)等。二硒化钯(PdSe2)是一种结构独特的第10族过渡贵金属硫族化合物(NTMDCs),具有丰富的晶体结构,其最为稳定的结构是五边形构筑单元的层状正交相结构,每一层呈现周期性的褶皱状,层间以范德华力结合。不同于一般的六方结构二维材料,PdSe2 具有很强的层间相互作用和层内各向异性结构,从而导致超高载流子迁移率、随厚度可调的带隙宽度(0 eV,单层 – 1.3 eV,块体)、优异的环境稳定性、各向异性光学性质等特点,在场效应晶体管、光电探测器等领域拥有重要的应用前景。

虽然独特的晶体结构和丰富的相结构给二维PdSe2带来了许多可能的应用前景,但是如何可控生长大面积、高质量的二维PdSe2晶体材料仍然是急需解决的问题。目前,大多数二维PdSe2的研究工作基于机械剥离法,但是该方法剥离能力有限,对产物造成不可避免的缺陷,尤其是单层材料,所以几乎不可能得到大面积实际应用。因此,寻找自下而上的生长方法成为了一项重要挑战。

美国橡树岭国家实验室肖恺和合作者利用化学气相沉积法(CVD)在多种衬底上(SiO2/Si,蓝宝石、云母片、金箔)制备了高质量的二维正交相PdSe2单晶纳米片,厚度薄至两个分子层,纳米片的形貌和厚度依赖于生长温度。韩国基础科学研究所丁峰教授运用基于密度泛函理论的动力学伍尔夫构型模拟了二维PdSe2的CVD生长过程,沿[110]和[-110]晶向的边缘具有较高的形核势垒,因此生长速率较慢,诠释了实验中得到的方形PdSe2纳米片的形貌。通过低频拉曼光谱能够精准判断PdSe2纳米片的层数,并利用角分辨拉曼光谱和二次谐波成像技术(SHG)研究了二维PdSe2的光学各向异性与非线性光学性质,结果表明,奇数层数和偶数层数的二维PdSe2具有不同的中心对称性,属于不同的点群和空间群。最后,经过退火处理后的PdSe2场效应晶体管的电子迁移率达到~294 cm2V-1s-1,开关比~103,证明本方法制备的PdSe2的晶体质量与用于机械剥离法的(~216 cm2V-1s-1)相近。研究者相信通过继续改善生长过程, 可以制备出各种相结构的二维PdSe2晶体和异质结,从而促进二维PdSe2晶体在光电子器件,拓扑超导和量子信息科学的应用。

相关结果以题为“Two‐Dimensional Palladium Diselenide with Strong In‐Plane Optical Anisotropy and High Mobility Grown by Chemical Vapor Deposition”发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201906238)上,并于当期Back cover做简要介绍。

相关工作得到了美国能源部,橡树岭国家实验室纳米中心的资助并由顾奕奕同学在国家留学基金委的支持下在橡树岭国家实验室访问时完成。