二维异质结 - 有机定制合成网

成果介绍

各种二维(2D)材料在晶片上的集成是实现多种电子器件的必要前提。另一方面，由二维材料的附加生长所形成的异质结构，可以构建具有非常规性质的材料。两者都可以通过材料转移来实现，但在转移过程中经常遭受机械损坏或化学污染。高质量二维材料的直接生长通常需要高温，这阻碍了不同二维材料的附加生长或整体结合。

广东工业大学黄少铭、香港科技大学罗正汤、香港大学Lain-Jong Li、温州大学张礼杰等人报道了在低于400°C的温度下进行生长结晶二维材料及其异质结构的一般方法。

在低温下，金属碘化物(MI，其中M为In、Cd、Cu、Co、Fe、Pb、Sn和Bi)层外延生长在云母(mica)基底上、MoS₂或WS₂上；随后，低势垒的碘与硫之间发生替代反应，通过这种方式可至少获得17种不同的二维结晶金属硫属化合物。

例如，在280°C下，生长在MoS₂上的2D In₂S₃表现出与常规高温气相沉积(~700-1000°C)生长的材料相当的高光响应性。在同一片晶片上还连续生长了多种2D材料，为不同高质量2D材料的单片集成提供了有前途的解决方案。

相关工作以Epitaxial substitution of metal iodides for low-temperature growth of two-dimensional metal chalcogenides为题在Nature Nanotechnology上发表论文。

图文介绍

图1. 低温生长的二维金属硫族化合物晶体库

第一步，即MI的生长，是温度决定步骤，因为随后的碘-硫原交换反应形成所需的MCs可以在较低的温度下进行。由于大多数MIs在结构上是分层的，它们在云母或范德华TMD(例如MoS₂、WS₂和WSe₂)等分层基底上的生长通常通过范德华外延，所需温度通常低于400°C，这得益于它们具有较低的表面扩散势垒。观察到MI在云母上的生长温度略高于在TMD上的生长温度。因此，重点讨论了MC在TMD上的生长。

首先，在蓝宝石上基于CVD制备大规模的MoS₂(或WS₂)单层作为MI生长的模板。MI层可以通过低温气相沉积工艺在TMD模板上外延生长。在不打开炉的情况下，随后的硫元(S、Se或Te)对碘的热替代使MIs转化为MCs。

因此，本文合成了不同的MC，包括六种金属硫化物(In₂S₃、SnS₂、FeS₂、CoS₂、CuS和CdS)，八种金属硒化物(In₂Se₃、Bi₂Se₃、SnSe₂、CoSe₂、FeSe、CuSe、CdSe和PbSe)，两种金属碲化物(Bi₂Te₃和SnTe)和一种MC合金(SnS_2(1-x)Se_2x)。

图2. 金属硫族化合物的取代与外延

有趣的是，由于MIs在TMD基底上的外延特性，大多数MCs可以通过所提出的两步生长过程外延形成在TMD上。以WS₂上生长SnI₂为例，由于SnS₂和WS₂的六方晶格结构匹配，后续的S替换不会破坏WS₂上的原始排列。WS₂上SnS₂的STEM图像和元素映射证实了一个近乎理想的范德华界面的存在，其中Sn-W和S-S距离分别为6.4和2.9 Å，与理论值吻合良好。