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劉云圻/魏大程團隊《Adv. Mater.》:提出自錨定范德華堆疊生長機理 - 實現過渡金屬二硫族化合物納米片的陣列生長
2024-08-22  來源:高分子科技

  過渡金屬二硫族化合物(Transition-metal dichalcogenides, TMDs)作為范德華(van der Waals, vdW)層狀材料的重要成員,過去十幾年來受到研究人員的廣泛青睞。目前,大量研究集中于單層vdW材料的合成,相比而言,納米片有著單層晶體所缺乏的獨特性質,包括豐富的離子通道,大量的活性位點,高載流子密度以及較大的光譜響應范圍等。然而,由于vdW材料缺少面外化學鍵,使得相鄰層之間的作用力極弱,進而導致厚層納米片的化學氣相生長存在較大挑戰。此外,傳統化學氣相輸運或化學氣相沉積法(Chemical vapor deposition, CVD)一般是基于氣--固(Vapor-Solid-Solid, VSS)機理,高擴散性的氣態源往往會導致隨機形核及晶體隨機生長,使得所得晶體在電子或光電等要求陣列器件的應用中受到極大限制。



  復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室魏大程課題組長期致力于研究新型場效應晶體管材料、晶體管設計原理以及在化學、生物傳感領域的應用。日前,劉云圻院士、魏大程研究員團隊報道了一種“TMD晶體的自錨定范德華堆疊生長機理


圖一、自錨定范德華堆疊生長與表面自限生長的過程對比


  研究發現,鹽輔助生長TMD晶體過程中,所使用的鹽助劑在高溫下會對生長襯底產生化學刻蝕,形成深度幾十到百納米的刻蝕凹坑,這種凹坑會將熔融反應物錨定,使熔體在水平方向的流動受到限制,后續晶體生長只能在刻蝕坑內進行,而無法在水平方向拓展,因此本研究稱以上過程稱為“self-anchored growth”(自錨定生長)


圖二、自錨定范德華堆疊生長所得納米片的結構表征


  研究還發現,自錨定生長過程中,晶體首先在熔融微液滴表面形核,之后在垂直方向上向襯底拓展生長,與傳統由襯底向上生長模式完全相反,研究指出,這種不同是由于源物質的供應來源差異,傳統CVD法遵循VSS機理,氣態源由載氣輸運至固態襯底,并在其上生長得到固態晶體,生長是由襯底向上的。而本研究中,金屬源為自錨定的微液滴,載氣將硫族源輸運至液態金屬源后,二者原位反應生成固態晶體,遵循氣--固(Vapor-Liquid-Solid, VLS)機理。由于生長是由頂部向襯底方向逐層生長的,因此稱之為“vdW stacking growth”(范德華堆疊生長)。基于以上發現,通過設計表面能差異化襯底,團隊借助高溫原位可視設備觀察到了高溫源液滴在襯底表面的自組裝和自錨定過程,并最終實現了納米片的陣列生長以及光電陣列器件的搭建。


圖三、高溫原位觀察源液滴在襯底表面的自組裝行為(設備由基元科技提供)


圖四、a) 高溫原位可視化設備及源物質的自組裝過程截圖;b-e) 納米片結構表征;f-i)基于WSe2納米片的光電陣列器件展示及光電性能測試


  該成果以“Self-Anchored Van-Der-Waals Stacking Growth of Transition-Metal Dichalcogenide Nanoplates”為題發表于《Advanced Materials》。課題組強丁丁和唐亞楠博士為共同第一作者,魏大程研究員、劉云圻院士為論文通訊作者,蘇州基元科技有限公司的王迪教授和許向鵬為本研究提供了設備支持,研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院先導項目和復旦大學的支持。


  課題組主頁:www.weigroupfudan.com


  論文信息:

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407586

  Self-Anchored Van-Der-Waals Stacking Growth of Transition-Metal Dichalcogenide Nanoplates

  Dingding Jiang#, Ya-Nan Tang#, Di Wang, Xiangpeng Xu, Jiang Sun, Rong Ma, Wenhao Li, Zhiya Han, Yunqi Liu*, Dacheng Wei*

  Advanced Materials, 2024, DOI: 10.1002/adma.202407586

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