[00036264]大尺寸均勻單層MoS2可控制備

單層半導體性過渡族金屬硫屬化合物(MX2： MoS2, WS2等)是繼石墨烯之后備受關注的二維層 狀材料。該類材料具有優異的電學性質、強的光物相 互作用、高效的催化特性等優點，在光電子學器件、 傳感器件、電催化產氫等領域具有非常廣闊的應用前 景。單層MX2材料的批量制備和高品質轉移是關鍵 的科學問題?，F有方法仍面臨著諸多重大挑戰，例如， 難以實現晶圓尺寸的層數均勻性、單晶疇區小、生長 速度緩慢、生長襯底價格昂貴、轉移過程復雜、容易 引入污染物等。北京大學研發課題組是國內較早開展相關研究的 課題組之一，在單層MX2材料的可控制備、精密表征 和電催化產氫應用方面取得了一系列重要進展：基于 范德華外延的機理，他們在晶格匹配的云母基底上首 次獲得了厘米尺度均勻的單層MoS2 (Nano Lett. 13, 3870 (2013)):在藍寶石上獲得了大疇區單層WS2 (ACS Nano 7, 8963 (2013));發展了一種新型的 金屬性箔材(Au箔)基底，實現了疇區尺寸可調單層 M0S2的制備，借助STM/STS表征技術建立起了材 料原子尺度的形貌/缺陷態、電子結構和電催化析氫 之間的構效關系。最近課題組在大尺寸均勻M0S2的批量制備以及“綠色”轉移方面取得重要進展。他們選 用廉價易得的普通玻璃作為基底，創新性地采用Mo箔 作為金屬源(與S粉共同作為前驅體)，采用“ face-to- face "的金屬前驅體供給方式，實現了前驅體在樣品上 下游的均勻供應，使得樣品尺寸可以得到最大限度的放 大(僅受限于爐體尺寸)，獲得了對角線長度可達6英寸 的均勻單層MoS2;結合DFT理論計算和系統的實驗結 果發現，玻璃基底上微量的Na對材料生長起到明顯的 促進作用，Na傾向于吸附在MoS2疇區的邊緣，起到顯 著降低MoS2拼接生長能壘的作用，從而促進其快速生 長。獲取滿覆蓋單層樣品的生長時間僅為8min，單晶 疇區邊緣尺寸可達0.5mmo此外，課題組利用玻璃基底 的親水特性，發展了一種無刻蝕的、僅利用超純水輔助 的“綠色”轉移方法。該方法適用于晶圓尺寸樣品的快 速轉移，且具有操作簡單，轉移樣品質量高等明顯優勢。 該工作提出了利用廉價的普通玻璃基底來制備大面積、 晶圓尺寸均勻、大疇區單層M0S2的新方法/新途徑， 并深入分析了其生長機制，為相關二維材料的批量制備 和高效轉移提供了重要的實驗依據，對于推動該類材料 的實際應用具有非常重要的意義。