氫氧根輔助大面積單層二硫化鉬在不同襯底上的生長

劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

氫氧根吸附到硫原子上促進單層硫化鉬水平生長的示意圖及In situ TEM圖。

二硫化鉬是一種典型的二維材料，因為其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性能和良好的機械柔韌性引起人們的廣泛關(guān)注1。單層二硫化鉬由于高的載流子遷移率和超薄的厚度，被廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體場效應(yīng)管和光探測器中2，生長大面積高質(zhì)量的單層二硫化鉬也一直是大家的研究目標。目前制備大面積單層二硫化鉬的主流方法還是化學(xué)氣相沉積法(CVD)，主要通過引入氧氣3、改變襯底4、添加生長促進劑5等方法減少成核點，從而生長大尺寸的單層二硫化鉬。但是在二硫化鉬的生長過程中很難避免受到襯底表面和環(huán)境當中雜質(zhì)的影響，從而導(dǎo)致生長出的二硫化鉬存在較多缺陷和尺寸較小的問題6。因此，不依賴襯底生長出大面積高質(zhì)量的單層二硫化鉬一直是研究的難點。

最近，針對以上的難點，蘇州大學(xué)鄒貴付課題組在Journal of the American Chemical Society上發(fā)表了題為“MoS2-OH Bilayer-Mediated Growth of Inch-Sized Monolayer MoS2on Arbitrary Substrates”的文章7，該工作利用氫氧根水溶液在不同襯底上生長出大面積高質(zhì)量的單層二硫化鉬，并對其生長機理和生長過程進行了系統(tǒng)性的研究。

通過這種方法，作者可以在不同的襯底上生長出大尺寸的單層二硫化鉬，包括藍寶石、石英、二氧化硅等。這是由于氫氧根在二硫化鉬的生長過程中會吸附到最外層的硫原子上，抑制二硫化鉬在(001)方向上的生長，從而促進單層的生長。他們也通過理論計算證明了這一觀點，當二硫化鉬表面吸附上氫氧根后，生長單層的二硫化鉬具有更好的穩(wěn)定性。另外，他們還通過In situ TEM直接觀察到二硫化鉬在氫氧根作用下的水平方向生長。掃描透射電子顯微鏡(STEM)的表征證明了氫氧根輔助生長得到的二硫化鉬具有很高的結(jié)晶質(zhì)量，基本沒有缺陷和錯位的出現(xiàn)。二硫化鉬表面吸附的氫氧根還可以很好的保護其不被空氣中的水和氧氣污染，因此利用這種單層的二硫化鉬制備的半導(dǎo)體場效應(yīng)管在空氣中具有很高的載流子遷移率達到30 cm2·V-1·s-1，并且具有很好的穩(wěn)定性，在空氣中放置一個月后仍然保持很好的電學(xué)性能。

作者通過氫氧根水溶液輔助法實現(xiàn)了大面積高質(zhì)量的單層二硫化鉬在不同襯底上的生長，生長得到的單層二硫化鉬具有極高的結(jié)晶質(zhì)量和優(yōu)異的穩(wěn)定性。這種氫氧根水溶液輔助法也為生長其他的大面積單層二維材料比如WS2和MoSe2等提供了可能性。