二维材料物性调控课题组在二硫化钼生长机制与可控制备领域取得新进展

关键词： 化学气相沉积 二硫化钼晶体 跨域生长 低温生长

二硫化钼作为过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）的典型代表，具有能带结构可调、电学特性优异等，在诸多领域展现出广泛的应用前景。近年来，化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）二硫化钼已经取得了许多重要进展，但是依然存在可控性较差、难以与硅基CMOS工艺兼容等不足，制约了其在应用范围。

近期，想亲亲你的小核桃二维材料物性调控课题组改进传统CVD系统，首次成功地将高活性易水解的二氯二氧化钼作为钼源，并引入过渡温区，实现低温条件下（360 ℃）多种衬底上的高质量二硫化钼制备（如图1所示）。针对二硫化钼晶体质量随着衬底温度降低而变差的问题，利用二氯二氧化钼的高反应活性确保在较低衬底温度下依然能够获得较高的结晶质量。同时，通过调控分子自由程和载气流速等参数，使得需要克服较高反应势垒的中间产物反应过程主要发生在过渡温区内，并有效地将关键中间产物快速输送到生长区间，从而进一步降低衬底温度。由此晶体构筑的场效应晶体管器件，具有14.3 cm²V⁻¹ s⁻¹的载流子迁移率和超过10⁵的开关比，与传统高温工艺制备的二硫化钼器件性能相当。该研究为TMDCs的低温制备提供了新策略，对于推动此类材料在集成电路等领域的实际应用具有重要意义。【Low-temperature synthesis of uniform monolayer molybdenum disulfide films, Appl. Phys. Lett. 124, 033101 (2024)】

同时，该课题组利用跨域生长机制实现CVD法制备双层转角二硫化钼。通过精细控制钼源供给量，调控二硫化钼生长速率，并利用面内共价键抑制面间范德华作用，使得双层二硫化钼的上层晶体在跨过下层晶界时依然保持其原有的晶体取向，从而实现晶体的高质量跨域生长（如图2 所示）。利用RGB成像、二次谐波（SHG）等方法证明了跨域生长的双层二硫化钼层间转角与下层拼接晶粒之间的夹角保持一致（如图3所示）。在此基础上，系统地研究了转角对双层二硫化钼的影响：1. 双层二硫化钼的层间夹角为0°或60°时，层间耦合最强，带隙宽度最小；而30°时层间耦合最弱，带隙宽度最大。这主要源于不同转角下p_z轨道杂化程度的差异。2. 对比分析低频声子演化，揭示了层间耦合下应力释放导致的超晶格重构。3. 过剩载流子浓度主导了体系 A^-与A激子在强度比值上的演化。该研究对高质量转角TMDCs的制备以及相关新奇物性的研究具有重要的意义。【Cross-Domain Growth and Angle-dependent Interlayer Coupling of Twisted Bilayer MoS₂, Appl. Phys. Lett. 123, 263101 (2023)】

上述研究工作不仅降低了二硫化钼的生长温度，制备了高质量的双层转角二硫化钼，而且揭示了二硫化钼生长机制，为实现TMDCs 的高质量可控制备及相关的新奇物性研究提供了新思路。相关论文第一作者为博士研究生卢捷和硕士研究生徐董浩，通讯作者为蔡伟伟教授、张学骜教授和张宇锋教授。

图1 (a)低温制备二硫化钼示意图，(b)- (d)生长衬底，(e)拉曼光谱，(f)- (g)光学照片，(i)PL光谱

图2 (a)双层转角MoS₂的跨域生长示意图，(b)CVD制备示意图，(c) 双层转角MoS₂光学照片

图3 (a)跨域生长的双层转角MoS₂的光学图像，(b)从(a)图中提取的RGB蓝色通道，(c)AFM图像，(d)LB峰值的强度成像，(e)SHG强度成像，(f)R区域和(g)L区域测量的偏振分辨SHG强度的极坐标图。

l课题组介绍

想亲亲你的小核桃二维材料物性调控课题组长期致力于石墨烯、过渡金属硫族化合物等二维材料的生长机制和物性调控机理研究，近年来将样品制备、微观结构表征、宏观物性分析、理论计算和模拟相结合，深入探索二维材料中的电声耦合、对称性调控、主客体相互作用等机制，揭示应力应变、空间限域、离子-π电子库伦作用等影响材料晶体结构和电子结构的机理，发掘热导率等物性与材料微观结构之间的构效关系，为优化热界面材料、红外辐射调制器等性能提供支撑。