科研新聞

工學院張艷鋒課題組在厘米級二硫化鉬單晶薄膜制備方面取得重要進展

2020-04-25

近日,材料科學領域的權威雜志《美國化學學會納米》在線刊發了工學院材料科學與工程系張艷鋒教授課題組的研究論文“Epitaxial Growth of Centimeter-Scale Single-Crystal MoS2 Monolayer on Au(111)”,報道了該課題組在厘米級MoS2單晶薄膜的可控制備和生長機理方面所取得的最新研究成果。

繼石墨烯之后,單層/少層半導體性過渡金屬硫屬化合物(MX2: MoS2, WS2等)憑借其優良的半導體光電性質和良好的的熱穩定性有望成為延續摩爾定律的候選材料之一。當前大面積集成化電子器件的快速發展對MX2材料的尺寸和質量提出了新的需求。目前化學氣相沉積(CVD)法獲得的MX2薄膜通常含有大量的疇區邊界和晶格缺陷,這些缺陷態作為傳導電子的散射中心大幅地降低了器件遷移率等基本物性。單晶材料具有高度一致的晶體質量,對于保證器件性能的均一性非常重要。然而,現有MX2單晶的尺寸仍局限在百微米至毫米量級,無法滿足器件高度集成化與大規模應用的需求。因此要實現二維MX2器件的規模化應用,必須先突破大尺寸單晶的制備難題。

北京大學張艷鋒課題組是國內較早開展相關研究的課題組之一,在單層MX2及其異質結構的可控制備方面取得了一系列重要成果:他們基于范德華外延的機理,首次在晶格匹配的云母基底上獲得了厘米尺寸均勻的單層MoS2薄膜(Nano Lett. 2013, 13, 3870);繼而創造性地采用普通玻璃作為基底,通過引入表面催化生長的新機制,把均勻單層MoS2樣品的尺寸提升至目前最大尺寸(6英寸)(Nat. Commun. 2018, 9, 979)。為與原位的高分辨表征技術(STM/STS)和直接的電化學性能測試相兼容,他們還發展了基于多晶Au箔的制備體系,實現了疇區尺寸可調的單層MoS2的制備(ACS Nano 2014, 8, 10196; ACS Nano 2015, 9, 4017),二維材料層間異質結構(MoS2/Gr、MoS2/WS2和WS2/MoS2)的直接構筑(Adv. Mater. 2015, 27, 7086;Adv. Mater. 2016, 28, 10664),并將這一制備體系拓展至金屬性2H-TaS2薄膜的可控制備(Nat. Commun. 2017, 8, 958)并揭示了其超高的電催化性能。

基于課題組前期工作的積累,近日張艷鋒教授在厘米級MoS2單晶薄膜的制備方面取得重要進展。他們通過熔融-固化法將多晶Au箔轉化成厘米級Au(111)薄膜,并以此作為范德華外延的襯底,實現了單層MoS2納米片的單一取向生長,獲得了厘米級(1英寸)單晶單層MoS2薄膜。隨后,采用低能電子衍射(LEED)、透射電鏡(TEM)和掃描隧道顯微鏡(STM)等手段證實了MoS2晶疇的單一取向和無縫拼接特征。合作者北京大學信息學院的陳清教授課題組對于單晶材料的器件性能測試也進一步證實了單晶薄膜高的晶體質量。此外,他們與清華-伯克利深圳研究院鄒小龍教授(共同通訊作者)合作,探索了MoS2單一取向外延生長的內在機制,發現Au(111)表面的臺階對MoS2疇區的取向具有顯著的誘導作用,導致了MoS2沿<110>臺階邊緣的成核與單一取向生長。總之,該工作發展了利用金屬單晶襯底外延制備大面積單層MoS2單晶薄膜的新方法/新體系,并深入分析了其生長機制,為高質量二維材料的晶圓級制備提供了可能的方案和研究思路,對于推動半導體性二維材料的器件集成和實際應用具有重要意義。


Au(111)單晶上厘米級MoS2單晶薄膜的可控制備和精細表征

相關成果于2020年4月8日在線發表于學術期刊《美國化學學會納米》(ACS Nano)上(DOI: 10.1021/acsnano.0c01478),文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c01478。論文通訊作者是北京大學工學院張艷鋒教授、清華-伯克利深圳研究院鄒小龍教授和北京大學信息科學技術學院陳清教授,北京大學博士生楊鵬飛、潘雙嫄和清華-伯克利深圳研究院博士后張樹清為共同第一作者。該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、北京自然科學基金、深圳市基礎研究學科布局項目以及廣東省引進創新創業團隊計劃等的資助。

 
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