Small Science:CVD制备二维过渡金属硫族化合物的晶相工程研究

过渡金属硫族化合物(TMD)存在多种晶体结构(晶相),并且在二维状态(即单层或数原子层厚度)下依然保持有多晶相的特征。因此,二维TMD的相变为二维材料家族提供了丰富且可控的物理和化学性质,而二维TMD的晶相工程(即控制相变)对于通过巧妙组合不同性质的二维材料来实现高性能二维器件至关重要。作为有望实现高质量大规模的二维TMD生长方法,化学气相沉积 (CVD)由于其合成过程的高度可控性在晶相工程中显示出独特的优势。东华大学范宇驰江莞教授团队与美国约翰斯霍普金斯大学王子谦博士合作,系统地综述了近年来在CVD过程中控制二维TMD晶相生长的相关进展。

该综述首先介绍了多种二维TMD不同晶相的结构,物理化学性质及其常用表征方法。随后,重点归纳了可控的CVD生长条件对二维TMD晶相选择的影响,并总结了通过CVD调控TMD晶相的思路。(1)温度的控制:温度是控制相转变的主要因素,淬冷则通常适用于生成焓相差较小的不同相TMD制备;(2)前驱体的选择:前驱体的种类和供给的速度/浓度都将影响不同相的生成;(3)成分控制/掺杂:以置换或者填隙的方式在6族TMD中催化作用的引入5/7族元素,或者不同硫族元素的合金化都可以促进2H相和1T/1T’相之间的转变;(4)还原气氛的控制:大多数CVD制备的TMD材料都需要H2的辅助,根据不同的前驱体选择合适的H2流速和比例十分重要;(5)催化剂:金属卤化物由于可以普遍降低前驱体的熔点并促进中间产物的形成而受到青睐;(6)应变:计算和实验都证明了利用衬底与TMD材料之间的热失配引发的压/拉应变可以促进某些特殊相的形成。

在此基础上,文章还介绍了CVD晶相工程在二维材料器件中的重要应用,包括场效应晶体管,光伏电池,光电探测器和光伏器件,以及析氢反应电催化。最后,为解决在二维TMD的CVD晶相工程中存在的不足提供了新方向,并对CVD晶相工程的发展前景进行了展望,指出虽然研究人员已经提出了多种策略控制相生成和转变,大面积制备高纯度单相TMD材料仍然是一项具有挑战性的任务。

论文信息

Chemical Vapor Deposition Mediated Phase Engineering for 2D Transition Metal Dichalcogenides: Strategies and Applications

Karla Hernandez Ruiz, Ziqian Wang*, Matteo Ciprian, Meifang Zhu, Rong Tu, Lianmeng Zhang, Wei Luo, Yuchi Fan*, Wan Jiang*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100047

原文链接:https://doi.org/10.1002/smsc.202100047