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大面积高质量MoS2/graphene垂直异质结的人工构筑

2004年,石墨烯(graphene)的首次发现,开创了二维半导体材料科学的新纪元。经过十多年的发展,诸多二维层状材料,包括半金属性的石墨烯(厚度约0.34 nm,零带隙)、绝缘性的六方氮化硼(h-BN,带隙约6 eV)以及以二硫化钼(MoS2)为代表的过渡金属硫化物(TMDs,带隙约1-2 eV)等以其优异的物理与化学特性得到了学术界与工业界的广泛研究与密切关注。对于石墨烯、TMDs等,其研制技术已经越来越成熟可控,特别是近年来,我国的科研团队在单晶石墨烯制备领域中连续取得了重大突破 (Nat. Mater., 2016, 15, 43; Nat. Nanotechnol., 2016, 11, 930)。尽管如此,基于上述二维层状材料异质结的人工构筑:无论通过上下层之间的范德华力作用而形成的垂直异质结,还是通过CVD等技术手段经过层状材料的平面外延而获得的平面异质结,仍处于一个萌芽状态(Adv. Funct. Mater., 2017, 1603884)。相比平面异质结界面处的线状缝合,垂直异质结中的面面接触更有利于应用器件的设计与实现。而如何发展新的研制技术来实现二维层状半导体材料之间界面的有机结合,产生1+1>2的器件应用效果,成为近年来研究与发展的焦点。


针对上述问题,香港中文大学电子工程学系许建斌教授课题组与江南大学电子工程系万茜教授的合作团队,报道了通过石墨烯表面直接电镀硫化钼制备垂直异质结的电化学方案。作者巧妙地运用CVD石墨烯的特性:(1)高导电性,(2)表面原子级平整,(3)化学特性稳定,(4)真空耐高温等,将其直接作为导电电极,经过在安全环保的四硫代钼酸铵水溶液中的电镀以及退火过程,成功研制出大面积、高质量的MoS2/graphene垂直异质结,并表现出良好的物理特性。通过调控石墨烯电极的极性(作为阳极或阴极)、电解质浓度、电镀时间以及电镀电流等关键性参数,该研究团队实现了石墨烯表面的MoS2厚度从数纳米到数百纳米的连续可控。与此同时,作者通过X射线光电子能谱(XPS)对整个制备流程中Mo与S元素的化学价态以及结构变化进行了系统的跟踪分析,进而揭示了其生长机制。这一研究成果对人工构筑TMDs/graphene垂直异质结具有现实的科学意义与实用价值。该工作在线发表在Advanced Functional Materials上。


该论文作者为:Xi Wan, Kun Chen, Zefeng Chen, Fangyan Xie, Xiaoliang Zeng, Weiguang Xie, Jian Chen, Jianbin Xu

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Controlled Electrochemical Deposition of Large-Area MoS2 on Graphene for High-Responsivity Photodetectors

Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201603998


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