Small:可逆硫化制备大面积二维单层SnS2/SnS异质结

二维层状范德华(vdW)材料,如石墨烯,六方氮化硼(h-BN)和过渡金属二卤族化合物(TMD),由于具有优异的且可调控的物理和化学性质,成为近年来研究的热门材料体系。这类材料中层间相互作用为弱范德华力,从而很容易通过机械解理得到稳定的单层,并且通过人工堆垛制备出二维异质结构。目前比较成功的异质结制备的案例有石墨烯/BN、石墨烯/TMD、TMD/TMD等,在纳米电子学和光电子学领域展现出优异的性能。然而,通过直接机械剥离和转移制备的二维异质结面积小,不适合批量化的实际应用,因此大面积异质结结构的直接生长制备一直是一个具有挑战性的难题。

近日,中国科学院物理研究所吴克辉研究员、陈岚研究员课题组使用分子束外延(MBE)方法,通过硫化和去硫化的可逆过程,可控地制备出大面积(厘米级)SnS2/SnS范德华垂直异质结。这项工作的亮点在于使用直接合成的方法制备出大面积均匀的SnS2/SnS范德华异质结,并能够实现可控和可逆的制备过程。

SnS具有正交晶系晶型结构(图1b),是一种间接带隙的p型半导体;SnS2属于六角晶系(图1c),是一种宽带隙n型半导体,体相带隙宽度约为2.18 eV,单层SnS2约为2.41 eV。研究人员首先利用MBE生长获得少层的SnS薄膜。进一步的研究发现,在富硫气氛中,上层SnS被均匀硫化为单层SnS2,形成高质量的SnS2/SnS二维异质结。反之,通过对SnS2/SnS异质结进行无硫退火,SnS2层被还原为SnS。转变过程中,反射式高能电子衍射(RHEED)的条纹演变可以作为重要的监控指标(图1e-h)来判断硫化和退火过程所处的不同阶段。

SnS2和SnS形成的二维异质结具有一个自发的堆垛角-约15°(图2),研究者利用扫描隧道显微镜(STM)可以得到SnS2/SnS异质结构表面的原子分辨,并观察到SnS2-SnS堆垛形成的莫尔图案(图2)。进一步使用扫描隧道光谱(STS)研究了SnS2/SnS异质结构和SnS薄膜的电子结构。从dI/dV曲线(图3a)可以看出SnS薄膜的带隙为1.95 eV,SnS2/SnS异质结的间隙约为0.66 eV,其远小于单独的SnS和SnS2带隙。引起这个现象的原因是SnS2和SnS之间type-Ⅱ型的能带对齐特征(图3b)。

该研究中MBE与可逆硫化相结合的方法为二维范德华异质结的直接制备提供一种新颖生长方式,同时该方法还可扩展应用到其它的二维体系,比如InSe/In2Se3、SnSe2/SnSe、GeS2/GeS等异质结结构,并可能构造具有多组分的三明治异质结结构,带来更加优异的物理性能或者不同寻常的奇异量子现象。

中科院物理所的吴克辉研究员和陈岚研究员为论文共同通讯作者。

图1. SnS薄膜的可逆硫化过程。(a-c) Nb-STO(100), SnS, SnS2的原子结构模型。d) Nb-STO(100)表面RHEED条纹。(e-h) 在Nb-STO(100)表面生长SnS以及可逆硫化和退火过程的RHEED图谱。
图2. SnS和SnS2之间硫化和去硫化转变过程示意图,SnS和SnS2堆垛示意图,扭转角为15°;SnS2/SnS异质结STM图片,显示出清晰的莫尔图案。
图3 (a) SnS和SnS2/SnS异质结构的dI/dV谱图。(b) SnS2/SnS异质结构的band-alignment示意图。

论文信息:

Realization of Large Scale, 2D van der Waals Heterojunction of SnS2/SnS by Reversible Sulfurization

Shuhui Li, Yu Wang, Peng Cheng, Baojie Feng, Lan Chen*, Kehui Wu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101154

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202101154