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成果介紹

各種二維(2D)材料在晶片上的集成是實(shí)現(xiàn)多種電子器件的必要前提。另一方面，由二維材料的附加生長所形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建具有非常規(guī)性質(zhì)的材料。兩者都可以通過材料轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)，但在轉(zhuǎn)移過程中經(jīng)常遭受機(jī)械損壞或化學(xué)污染。高質(zhì)量二維材料的直接生長通常需要高溫，這阻礙了不同二維材料的附加生長或整體結(jié)合。

廣東工業(yè)大學(xué)黃少銘、香港科技大學(xué)羅正湯、香港大學(xué)Lain-Jong Li、溫州大學(xué)張禮杰等人報(bào)道了在低于400°C的溫度下進(jìn)行生長結(jié)晶二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一般方法。

在低溫下，金屬碘化物(MI，其中M為In、Cd、Cu、Co、Fe、Pb、Sn和Bi)層外延生長在云母(mica)基底上、MoS₂或WS₂上；隨后，低勢壘的碘與硫之間發(fā)生替代反應(yīng)，通過這種方式可至少獲得17種不同的二維結(jié)晶金屬硫?qū)倩衔铩?/span>

例如，在280°C下，生長在MoS₂上的2D In₂S₃表現(xiàn)出與常規(guī)高溫氣相沉積(~700-1000°C)生長的材料相當(dāng)?shù)母吖忭憫?yīng)性。在同一片晶片上還連續(xù)生長了多種2D材料，為不同高質(zhì)量2D材料的單片集成提供了有前途的解決方案。

相關(guān)工作以Epitaxial substitution of metal iodides for low-temperature growth of two-dimensional metal chalcogenides為題在Nature Nanotechnology上發(fā)表論文。

圖文介紹

圖1. 低溫生長的二維金屬硫族化合物晶體庫

第一步，即MI的生長，是溫度決定步驟，因?yàn)殡S后的碘-硫原交換反應(yīng)形成所需的MCs可以在較低的溫度下進(jìn)行。由于大多數(shù)MIs在結(jié)構(gòu)上是分層的，它們在云母或范德華TMD(例如MoS₂、WS₂和WSe₂)等分層基底上的生長通常通過范德華外延，所需溫度通常低于400°C，這得益于它們具有較低的表面擴(kuò)散勢壘。觀察到MI在云母上的生長溫度略高于在TMD上的生長溫度。因此，重點(diǎn)討論了MC在TMD上的生長。

首先，在藍(lán)寶石上基于CVD制備大規(guī)模的MoS₂(或WS₂)單層作為MI生長的模板。MI層可以通過低溫氣相沉積工藝在TMD模板上外延生長。在不打開爐的情況下，隨后的硫元(S、Se或Te)對碘的熱替代使MIs轉(zhuǎn)化為MCs。

因此，本文合成了不同的MC，包括六種金屬硫化物(In₂S₃、SnS₂、FeS₂、CoS₂、CuS和CdS)，八種金屬硒化物(In₂Se₃、Bi₂Se₃、SnSe₂、CoSe₂、FeSe、CuSe、CdSe和PbSe)，兩種金屬碲化物(Bi₂Te₃和SnTe)和一種MC合金(SnS_2(1-x)Se_2x)。

圖2. 金屬硫族化合物的取代與外延

有趣的是，由于MIs在TMD基底上的外延特性，大多數(shù)MCs可以通過所提出的兩步生長過程外延形成在TMD上。以WS₂上生長SnI₂為例，由于SnS₂和WS₂的六方晶格結(jié)構(gòu)匹配，后續(xù)的S替換不會破壞WS₂上的原始排列。WS₂上SnS₂的STEM圖像和元素映射證實(shí)了一個(gè)近乎理想的范德華界面的存在，其中Sn-W和S-S距離分別為6.4和2.9 ?，與理論值吻合良好。

圖3. 二維In₂S₃生長在過渡金屬硫族化合物上的光電特性

圖4. 低溫生長工藝使不同的2D金屬硫族化合物集成在同一水平的晶片上

總之，本文已經(jīng)探索了如何在TMD或云母上外延生長MI，然后進(jìn)行低勢壘的I-to-S取代、交換，這是一種通用的低溫策略(265-400°C)，可以生長至少17個(gè)MCs，這為構(gòu)建可擴(kuò)展的2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料提供了更多機(jī)會。

文獻(xiàn)信息

Epitaxial substitution of metal iodides for low-temperature growth of two-dimensional metal chalcogenides，Nature Nanotechnology，2023.

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01326-1

原創(chuàng)文章，作者：菜菜歐尼醬，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/01/26/ace06ad95e/

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