Advanced Functional Materials:Au(101)晶面上实现各向异性二维ReS2材料的取向控制生长

二维过渡金属硫属化合物(TMDs)丰富的结构和独特的光、电性质使其在电子和光电子器件领域具有广泛的应用前景。不同于具有高对称2H结构的VI族TMDs材料(如MoS2和WSe2),VII族TMDs(Re-TMDs: ReS2和ReSe2)材料具有低对称的1T’结构。晶格结构对称性的降低赋予这类材料独特的二维面内各向异性性质,使其在场效应晶体管、光电探测器和新概念器件等诸多方面具有很大的应用潜力。值得注意的是,因VII族TMDs材料结构复杂,其控制合成和性质研究一直是二维原子晶体材料研究领域的难点。过去几年,利用化学气相沉积生长方法,研究者们已实现了ReS2材料的大面积、层数可控合成。然而,研究者们发现ReS2材料在生长过程中极易于发生铼链重构,从而产生大量的子晶畴和晶界。一方面,不同晶格取向的子晶畴会导致各向异性ReS2材料的性质极为不均一;另一方面,大量晶界的存在会显著降低 ReS2材料的光学和电学等性质;以上问题极大地限制了ReS2材料的基础研究和大规模器件化应用。因此,如何可控制备具有单一取向的ReS2单晶材料对于其实际应用至关重要。

近日,陕西师范大学徐华教授和合作者雷志斌教授,中科院深圳先进技术研究院王晓博士,韩国蔚山国家科学技术研究院丁峰教授(共同通讯作者)等,基于材料与具有不同对称性的Au衬底之间的强相互作用,通过界面工程研究了典型的低对称性二维材料ReS2的取向控制合成。结果表明,ReS2材料的晶格取向和生长行为与Au晶面的晶格对称性密切相关。在四重对称的Au(001)晶面上和二重对称的Au(101)晶面上分别获得了具有两个甚至一个取向的单晶ReS2晶畴。相比之下,在传统的衬底(如六重对称的云母、四重对称的氧化镁、三重对称的 c 面蓝宝石和两重对称的 a 面蓝宝石等)上均无法实现ReS2材料的取向控制生长。结合实验和密度泛函理论计算,发现Au晶面对称性的降低和ReS2-Au超强的界面耦合,两者的二元协同作用对于抑制其Re4链重构并实现其取向控制生长至关重要,该结论可视为低晶格对称二维材料取向控制生长的基底选择定则。基于此,研究者首次实现了ReS2材料在二重对称Au(101)晶面上的本征各向异性外延。电学输运测试结果表明,相较于多晶畴ReS2材料,取向一致ReS2单晶的电学和光电性能得到了极大的提高,且具有强的二维面内各向异性。该研究工作取得的进展为可控合成低对称性二维材料的晶圆级单晶提供了重要理论和实验指导,有望实现其实际的器件应用。

论文信息:

Realizing the Intrinsic Anisotropic Growth of 1T′ ReS2 on Selected Au(101) Substrate toward Large‐Scale Single Crystal Fabrication

Xiaobo Li, Xinyue Dai, Deqi Tang, Xiao Wang*, Jinhua Hong, Chao Chen, Yang Yang, Jiangbo Lu, Jianguo Zhu, Zhibin Lei*, Kazu Suenaga, Feng Ding*, Hua Xu*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202102138