CVD一步法构建二硫族化合物(TMD)的平面内异质结界面

　　前言

　　当前，随着石墨烯诞生以来的，二维材料的研究十分火爆。二维过渡金属硫化物( transition-metal dichalcogenides，缩写为TMD(求别想歪!!!))，其结构式一般为MX2 ，M为Mo,W ,X 为S,Se)作为一种新型的原子级平整的半导体材料。被认为有望构建，低功率、快速响应、甚至柔性的光电器件。但是这些应用中，一般需要构建出两种或多种二维半导体的异质界面。这种界面构建一般有两种方式：

　　1、纵向堆垛，即堆积木式垂直方向堆叠;

　　2、侧向边界外延，即先生长一个二维纳米片，在片的边界中在进行另一种物质的生长。在这种侧向结构中，不同纳米片的边界构建了平面内的原子级异质界面。

　　其中，侧向的外延异质结构尤其吸引人，因为它在平面内可以构筑原子级厚度的p-n结，在发光二极管，太阳能电池以及芯片技术中前景诱人。但是，侧向异质结构的获得却一直很困难。人们一般通过多步骤以及多个前躯体等繁琐步骤获得侧向异质结构，但是效率相对低下。

　　而来自美国University of South Florida的Humberto R. Gutiérrez团队在1月4日的Nature上发文，报道了一锅法合成侧向二维异质结构的研究。

　　本文亮点

　　这种神奇的做法如何实现?答案是大家耳熟能详的化学气相沉积(CVD)，作者利用MoS2 , WS2的两种化学前躯体，加热挥发、分解后，通过载气带入管式炉，管式炉放上衬底，在一定温度与压力下即可将气相产物沉积到衬底上。作者发现，通过简单的载气切换，即可以在衬底上得到不同的结构!

　　以小编的烧炉子经验来看，这方法简单地不可思议!

 

 

　　图1 通过载气切换，分步实现单种二硫过渡金属的沉积，从而侧向生长多异质结构。如果载气是N2+H2O, 则衬底上仅有MoS2沉积，若载气切换成H2+Ar，则MoS2停止生长，边界开始有WS2在表面进行侧向外延!

　　为何如此?作者认为，秘密就在载气与粉末TMD前躯体发生化学反应。在沉积时通过改变载气的还原性，从而使得气相氧化物的还原速度产生差异，从而实现选择性的沉积。MX2(M为Mo,W ,X 为S,Se)化合物，分解温度较高。但高温有水蒸汽存在时，会促进Mo和W高度挥发性的物质产生，如氢氧化物和氧化物等。但，相同条件下，Mo的氧化物更容易挥发，传输到衬底上，与H2X进行反应生成MoX2.而当载气切换成还原性的Ar+氢气时，气相中的Mo物种却很快与氢气发生反应消耗掉，而WOx的较慢的被还原速度，使得以在衬底单独沉积。

　　基于此窍门，作者进一步合成普通该方法难以合成的有序分离的三元TMD合金。

　　图文快解

 

 

　　图2 高分辨透射电镜显示异质结构无缝，且异质界面非常sharp(没有明显的混合过渡区)。

 

 

　　图3 光学技术表征，两种TMD材料交替生长，且不同物质有效相分离。

 

 

　　图4 单个平面MoS2和WS2多重异质结的实现以及结构表征。

 

 

　　图 5 三元异质结结构(即MoS2(1-x)Se2x ,以及WS2(1-x)Se2x的实现以及结构表征。

 

 

　　图6 上述方法得到平面p-n结的电子性能与光电性能表征。结果显示，该二元异质结呈现较好的整流以及光生电流行为，进一步说明异质薄膜的高质量。