Small:二维垂直异质结的大面积可控生长

近年来,过渡金属硫属化合物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)作为一种类石墨烯二维材料,因其具有各种新奇的光学、电学及机械性能,引起了学术界的广泛关注和研究。基于二维TMDs的范德瓦尔斯异质结(如MoS2/WS2)能有效调控二维过渡金属硫属化合物的能带结构,改善其属性,拓展其器件应用范围。

目前,此类异质结构的构筑主要还是通过机械剥离及逐层转移的方法实现。然而,逐层转移的方法很难避免层与层之间界面污染的问题,同时生产效率较低。而在现有的一步化学气相沉积法(CVD)制备此类异质结构的过程中,不同元素之间极易发生互混和掺杂,表层薄膜的生长趋于杂乱和随机,两层之间的堆叠类型也很难控制。因此,基于二维过渡金属硫属化合物的单晶垂直异质结构的大面积可控生长依然存在挑战。

江南大学肖少庆教授、顾晓峰教授和张秀梅博士等采用一步限域空间化学气相沉积法合成了大面积垂直MoS2/ WS2异质结构。通过打开和关闭H2气流,异质结构可以演变成两种不同的类型:在MoS2和WS2单分子膜生长的过渡阶段,由于底部MoS2单分子膜上有许多成核中心,因此可以在不引入H2气流的情况下获得具有多个WS2晶畴的MoS2/ WS2异质结构。相反,由于氢刻蚀效应,底部MoS2单分子膜上的成核中心减少,通过引入H2气流可以获得具有单个WS2晶畴的MoS2/WS2异质结构。这两种垂直MoS2/WS2异质结构都具有较高的结晶质量。基于独立MoS2/WS2异质结构的光电探测器具有68 mAW-1 的响应率和35 ms的响应时间。这种一步限域空间化学气相外延技术可用于制备垂直MoS2/WS2异质结构,并具有较高的生产效率,也为制备由不同二维过渡金属硫族化合物单层组成的大面积范德瓦尔斯异质结开辟了新的途径,对二维电子和光电等领域具有重要意义。

上述研究工作得到了国家自然科学基金(62074070;11704159)、江苏省自然科学基金(BK20190576;BK20170167)以及江南大学自主科研计划-重点项目(JUSRP51726B)的支持。

论文信息:

Controllable Epitaxial Growth of Large-Area MoS2/WS2 Vertical Heterostructures by Confined-Space Chemical Vapor Deposition

Xiumei Zhang, Luyao Huangfu, Zhengjian Gu, Shaoqing Xiao*, Jiadong Zhou*, Haiyan Nan, Xiaofeng Gu*, Kostya (Ken) Ostrikov

Small

DOI: 10.1002/smll.202007312