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工学院张艳锋课题组在《自然·通讯》发表大尺寸均匀单层MoS2可控制备方面的研究成果

2018-03-14  1235

2018年3月7日,北京大学工学院材料科学与工程系张艳锋课题组在期刊Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-018-03388-5)在线发表题为“Batch production of 6-inch uniform monolayer molybdenum disulfide catalyzed by sodium in glass”的研究论文,报道了他们在大尺寸均匀单层MoS2 材料的可控制备和生长机理研究方面的最新进展。

单层半导体性过渡族金属硫属化合物(MX2: MoS2, WS2 等)是继石墨烯之后备受关注的二维层状材料。该类材料具有优异的电学性质、强的光物相互作用、高效的催化特性等,在光电子学器件、传感器件、电催化产氢等领域具有非常广阔的应用前景。单层MX2 材料的批量制备和高品质转移是关键的科学问题。现有方法仍面临着诸多重大挑战,例如,难以实现晶圆尺寸的层数均匀性、单晶畴区小、生长速度缓慢、生长衬底价格昂贵、转移过程复杂、容易引入污染物等。

北京大学张艳锋课题组是国内较早开展相关研究的课题组之一,在单层MX2材料的可控制备、精密表征和电催化产氢应用方面取得了一系列重要进展:基于范德华外延的机理,他们在晶格匹配的云母基底上首次获得了厘米尺度均匀的单层MoS2 (Nano Lett. 13, 3870 (2013),他引198次); 在蓝宝石上获得了大畴区单层WS2 (ACS Nano 7, 8963 (2013), 他引250次);发展了一种新型的金属性箔材(Au箔)基底,实现了畴区尺寸可调单层MoS2的制备,借助STM/STS表征技术建立起了材料原子尺度的形貌/缺陷态、电子结构和电催化析氢之间的构效关系 (ACS Nano 8, 10196 (2014),他引124次)。上述成果也受邀撰写综述文章(Chem. Soc. Rev. 44, 2587 (2015),他引92次)。

最近他们在大尺寸均匀MoS2的批量制备以及“绿色”转移方面取得重要进展。他们选用廉价易得的普通玻璃作为基底,创新性地采用Mo箔作为金属源(与S粉共同作为前驱体),采用“face-to-face”的金属前驱体供给方式,实现了前驱体在样品上下游的均匀供应,使得样品尺寸可以得到最大限度的放大(仅受限于炉体尺寸),获得了对角线长度可达6英寸的均匀单层MoS2; 结合DFT理论计算和系统的实验结果发现,玻璃基底上微量的Na对材料生长起到明显的促进作用, Na倾向于吸附在MoS2畴区的边缘,起到显著降低MoS2拼接生长能垒的作用,从而促进其快速生长。 获取满覆盖单层样品的生长时间仅为8 min,单晶畴区边缘尺寸可达0.5 mm。此外,他们利用玻璃基底的亲水特性,发展了一种无刻蚀的、仅利用超纯水辅助的“绿色”转移方法。该方法适用于晶圆尺寸样品的快速转移,且具有操作简单,转移样品质量高等明显优势。该工作提出了利用廉价的普通玻璃基底来制备大面积、晶圆尺寸均匀、大畴区单层MoS2的新方法/新途径,并深入分析了其生长机制,为相关二维材料的批量制备和高效转移提供了重要的实验依据,对于推动该类材料的实际应用具有非常重要的意义。

 


6英寸普通玻璃上化学气相沉积法制备的均匀单层MoS2

文章通讯作者是北京大学工学院张艳锋研究员,第一作者是二年级博士生杨鹏飞。该工作也得到了北京大学信息科学技术学院陈清教授、工学院张青研究员、物理学院高鹏研究员以及化学学院刘忠范院士的大力支持。理论部分的合作者是清华大学清华伯克利深圳学院邹小龙教授。该研究得到了国家自然科学基金委和科技部国家重点研发计划纳米科技专项等项目的资助。