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金箔在MoS2/h-BN层间异质结构的直接合成中再显神威

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析


近年来,半金属性的石墨烯(graphene)、半导体性的过渡金属硫属化合物(STMDC:MoS2、WSe2等)和绝缘特性的六方氮化硼(h-BN)等具有层状晶体结构的二维材料因具有独特的能带结构和优异的材料性能,在电子学、光电子学器件和能源转换领域得到了广泛的应用。同时,这些不同性质的二维材料层层堆垛构筑的层间异质结(如graphene/h-BN、MoS2/graphene、MoS2/h-BN、WSe2/h-BN)也因具有新颖的物理化学性质、卓越的器件性能、高能源转换效率成为近年来的研究热点。然而常用的依赖逐层转移叠层构筑方法(自上而下)存在层数不可控、畴区尺寸偏小、层间堆垛角度随机、直接表征困难、界面污染等问题。因此,利用范德华外延生长的方法直接合成这些异质结(自下而上),并对其进行精确的形貌和电子结构表征成为相关研究的关键。


北京大学张艳锋研究员(点击查看介绍)课题组一直关注金箔上二维材料及其异质结的可控生长、精密表征及其在电催化析氢领域的应用研究(ACS Nano, 2014, 8, 10196; Adv. Mater., 2015, 27, 7086−7092; Adv. Mater., 2016, 28, 10664)。近期,他们利用两步低压化学气相沉积的方法,首次在金箔上直接合成了MoS2/h-BN层间异质结构。他们首先利用硼烷胺作为前驱体在金箔上合成了满覆盖度的高质量h-BN,由于硼、氮原子在金箔中的溶解度很低,且在基底表面的迁移能力强,所合成的h-BN均为单层厚度且大面积均匀。他们利用金箔的抗硫化作用及其对MoS2生长较好的催化能力,以硫粉和三氧化钼为前驱体在h-BN/Au表面生长出单层的MoS2。值得一提的是,他们获得的MoS2畴区边长(~20 µm)和生长速度(~4 µm•min-1)均超过之前的相关报道。该工作再次展示了金箔可作为一种优选的基底来直接合成二维材料及其异质结构。金箔上合成的MoS2/h-BN异质结构具有非常清洁的表面,可以利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱(STM/STS)对其表面形貌和能带结构进行系统的研究。他们的研究发现,单层的h-BN能够有效减弱金箔和MoS2的界面相互作用,部分隔绝金基底对MoS2电子态的影响,MoS2/h-BN/Au带隙相对于MoS2/Au具有0.25 eV的增加(~1.75 eV)。该结果对理解单层h-BN插层对于MoS2-金属电极间的肖特基势垒减小现象具有非常重要的参考意义。同时,他们将电化学鼓泡的转移方法引入到该体系中,在不刻蚀金基底的前提下将MoS2/h-BN异质结构转移到二氧化硅基底上,并进行系统的电学性质表征。该转移方法使金箔可以重复使用,进而增加该合成方案的实用性。


这一研究成果发表于ACS Nano 上,文章的第一作者是北京大学的博士研究生张哲朋,通讯作者是北京大学的张艳锋研究员和浙江大学的金传洪教授。该工作同时得到北京大学的张青研究员、国家纳米科学中心的刘新风研究员和武汉大学廖蕾教授的大力支持。


该论文作者为:Zhepeng Zhang, Xujing Ji, Jianping Shi, Xiebo Zhou, Shuai Zhang, Yue Hou, Yue Qi, Qiyi Fang, Qingqing Ji, Yu Zhang, Min Hong, Pengfei Yang, Xinfeng Liu, Qing Zhang, Lei Liao, Chuanhong Jin, Zhongfan Liu and Yanfeng Zhang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Direct Chemical Vapor Deposition Growth and Band-Gap Characterization of MoS2/h-BN van der Waals Heterostructures on Au Foils

ACS Nano, 2017, 11, 4328, DOI: 10.1021/acsnano.7b01537


张艳锋研究员简介


张艳锋:2005年7月中科院物理所凝聚态物理专业获博士学位,2006年10月至2009年9月在日本东北大学多元物质科学研究所进行博士后研究,其间获得日本学术振兴会(JSPS)外国人特别研究员项目的资助,2010年4月受聘于北京大学优秀青年人才计划(“百人计划”),加入北京大学工学院材料科学与工程系,任职研究员,博士生导师。张艳锋主要从事二维层状材料(石墨烯、氮化硼、单原子层硫属化合物及其异质结构等)的可控制备、精密表征、量子效应及其诱导的新颖物理化学特性的研究,在SciencePhys. Rev. Lett.Nat. Commun.Nano Lett.Chem. Soc. Rev.J. Am. Chem. Soc. 等杂志共发表学术论文110余篇,相关工作也获得2005年度中国科学院杰出科技成就奖“薄膜/纳米结构的控制生长和量子操纵”集体(完成人之一)、2007年全国百篇优秀博士论文等;2012年获得国家优秀青年科学基金的资助,2016年入选教育部长江学者奖励计划“青年项目”。


http://www.x-mol.com/university/faculty/18964


科研思路分析


Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:如上所述,半导体性硫属化合物(STMDC)和h-BN组成的层间异质结构在高性能电子器件的构筑和新颖物理性质的研究方面具有非常重要的意义。利用h-BN作为STMDC器件的界面材料来降低其界面的肖特基势垒是相关研究的前沿,直接CVD制备这种叠层材料也是人们关注的热点。然而STMDC和h-BN常用的生长基底互不兼容(绝缘体vs.金属),直接CVD合成这种异质结一直是困扰科学家的难题。我们课题组很早就开始选用金箔作为基底来合成STMDC材料及其异质结构的研究,同时辅助高分辨STM/STS技术,揭示材料原子尺度的形貌和本征能带结构、界面耦合、缺陷态等基本特性。在本工作中,我们借助金箔既可以实现h-BN的CVD合成,又可以满足STMDC材料直接生长的特点,设计了两步CVD生长的方法,在金箔上直接制备了MoS2/h-BN的叠层结构。


Q:该研究成果最有可能有哪些重要应用?

A:本研究成果为大面积直接合成STMDC和h-BN的层间堆叠结构提供了新的解决方案,在STMDC电子器件领域具有非常重要的应用价值。STMDC基电子器件相比于石墨烯具有更高的开关比,而最大的挑战是迁移率较低。最近的研究工作表明,利用多层h-BN封装来隔绝环境因素对器件性能的影响,或者将单层h-BN插层到STMDC-金属电极间来减小界面的肖特基势垒,能够使器件迁移率得到显著提升,最高可达3个数量级。


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