Chem. Mater.封面：石英衬底多重调控单层二硫化钨

衬底在气相法合成二维（2D）过渡金属硫族化合物(TMDCs)并调控其性质方面扮演着重要的角色。通常，衬底的功能和它的晶体对称性，晶格常数及物化性质息息相关。譬如，蓝宝石和云母衬底由于具有和TMDCs相似的对称性和较低的晶格失配，能够有效地控制外延薄膜的生长方向，减少晶界处的缺陷密度；一些低对称性的衬底如SrTiO₃或LaAlO₃等，可以通过影响表面扩散来调节材料的形貌，形成TMDCs枝晶，增加活性位点；熔融石英因其较低的热膨胀系数（TEC），能够在外延的双层MoSe₂中产生较大的拉伸力，实现间接带隙到直接带隙的能带转变。尽管之前报导的这些衬底能够在某些领域发挥作用，但它们的功能相对单一，对于材料的控制有限，极大地限制了TMDCs复杂结构（如：大面积一维TMDCs纳米带，一维/二维复合TMDCs）的制备及潜在应用的实现。

近日，南方科技大学程春（点击查看介绍）课题组发现m面单晶石英能够作为一种多功能的衬底，有效控制单层二硫化钨(WS₂)的生长方向并调控其能带结构和形貌维度。这一成果作为封面文章发表在Chemistry of Materials 上。合作者包括香港科技大学王宁教授、清华大学刘锴教授、西悉尼大学Abbas Amini教授、河海大学唐春梅教授。该工作得到了粤港创新合作、广东高水平人才计划、香港研究资助局等项目的经费支持。

图1. 外延单层WS₂和单晶石英的取向关系。

图2. WS₂和单晶石英的(a-b)匹配关系示意图及(c-d)不同角度下的结合能。

研究者首先对外延生长WS₂和m面石英的排列关系进行了分析，发现WS₂在石英的[0001]方向具有优势排列取向(如图1所示)。与之前报导的蓝宝石/WS₂取向的情况不同，虽然m面石英和WS₂的对称性不同，但二者具有各向异性的周期性晶格匹配（如图2），能够将WS₂沿着石英[0001]方向排列。理论计算从能量角度验证了这种匹配关系的存在。

图3. 单层WS₂能带从直接带隙到间接带隙的转变。

此外，研究者还发现，石英具有较大的热膨胀系数，能够在外延的单层WS₂中产生较大的压缩应力。通过降温，这种压缩应力会不断增大，引起能带的进一步变化（图3）。通过原位光致发光表征和理论计算，研究者发现大约0.5%的单向压缩力即可引起单层WS₂从直接带隙到间接带隙的转变，这比之前报道的单向拉伸力的情况要小5倍（需要至少2.5%）。

图4. 单层WS₂维度从准一维的梯形向二维三角形的演化。

研究者通过改变生长时间，使外延WS₂的维度从准一维的梯形转变为二维三角形（图4）。通过理论计算发现，m石英在正交方向形成了各向异性的扩散势垒。这种各向异性的扩散势垒在WS₂单体浓度较低的情况下起到主导作用，促进了各向异性的生长。随着生长时间增加，衬底表面的单体浓度趋于饱和，各向异性扩散势垒的影响被极大地削弱。WS₂则更倾向于按照本身的对称性来生长，降低表面能。

小结

这篇工作不仅加深了衬底和外延材料关系的理解，还为控制2D TMDCs的生长提供了有效的方法。此外，直接在生长衬底上调控材料的性能也为设计复杂结构TMDCs及其相关应用提供了更多的可能。

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）：

Multiple Regulation over Growth Direction, Band Structure, and Dimension of Monolayer WS₂ by a Quartz Substrate

Jingwei Wang, Yi Luo, Xiangbin Cai, Run Shi, Weijun Wang, Tianran Li, Zefei Wu, Xian Zhang,Ouwen Peng, Abbas Amini, Chunmei Tang, Kai Liu, Ning Wang, Chun Cheng

Chem. Mater., 2020, 32, 2508-2517, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b05124

导师介绍

程春

https://www.x-mol.com/university/faculty/47853