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(jìn)單層硫化鉬水平生長(zhǎng)的示意圖及In situ TEM圖。

二硫化鉬是一種典型的二維材料，因?yàn)槠鋬?yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性能和良好的機(jī)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(chǎng)效應(yīng)管和光探測(cè)器中2，生長(zhǎng)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(biāo)。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(guò)引入氧氣3、改變襯底4、添加生長(zhǎng)促進(jìn)劑5等方法減少成核點(diǎn)，從而生長(zhǎng)大尺寸的單層二硫化鉬。但是在二硫化鉬的生長(zhǎng)過(guò)程中很難避免受到襯底表面和環(huán)境當(dāng)中雜質(zhì)的影響，從而導(dǎo)致生長(zhǎng)出的二硫化鉬存在較多缺陷和尺寸較小的問(wèn)題6。因此，不依賴襯底生長(zhǎng)出大面積高質(zhì)量的單層二硫化鉬一直是研究的難點(diǎn)。

最近，針對(duì)以上的難點(diǎn)，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(zhǎng)出大面積高質(zhì)量的單層二硫化鉬，并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理和生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。

通過(guò)這種方法，作者可以在不同的襯底上生長(zhǎng)出大尺寸的單層二硫化鉬，包括藍(lán)寶石、石英、二氧化硅等。這是由于氫氧根在二硫化鉬的生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)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(zhǎng)，從而促進(jìn)單層的生長(zhǎng)。他們也通過(guò)理論計(jì)算證明了這一觀點(diǎn)，當(dāng)二硫化鉬表面吸附上氫氧根后，生長(zhǎng)單層的二硫化鉬具有更好的穩(wěn)定性。另外，他們還通過(guò)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(zhǎng)。掃描透射電子顯微鏡(STEM)的表征證明了氫氧根輔助生長(zhǎng)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(cuò)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(hù)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(chǎng)效應(yīng)管在空氣中具有很高的載流子遷移率達(dá)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(gè)月后仍然保持很好的電學(xué)性能。

作者通過(guò)氫氧根水溶液輔助法實(shí)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(zhǎng)，生長(zhǎng)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(zhǎng)其他的大面積單層二維材料比如WS2和MoSe2等提供了可能性。