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Ultrafast growth of large single crystals of monolayer WS2 and WSe2
National Science Review ( IF 16.693 ) Pub Date : 2020-01-08 , DOI: 10.1093/nsr/nwz223
Zhengwei Zhang, Peng Chen, Xiangdong Yang, Yuan Liu, Huifang Ma, Jia Li, Bei Zhao, Jun Luo, Xidong Duan, Xiangfeng Duan

Monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) have attracted considerable attention as atomically thin semiconductors for the ultimate transistor scaling. For practical applications in integrated electronics, large monolayer single crystals are essential for ensuring consistent electronic properties and high device yield. The TMDs available today are generally obtained by mechanical exfoliation or chemical vapor deposition (CVD) growth, but are often of mixed layer thickness, limited single crystal domain size or have very slow growth rate. Scalable and rapid growth of large single crystals of monolayer TMDs requires maximization of lateral growth rate while completely suppressing the vertical growth, which represents a fundamental synthetic challenge and has motivated considerable efforts. Herein we report a modified CVD approach with controllable reverse flow for rapid growth of large domain single crystals of monolayer TMDs. With the use of reverse flow to precisely control the chemical vapor supply in the thermal CVD process, we can effectively prevent undesired nucleation before reaching optimum growth temperature and enable rapid nucleation and growth of monolayer TMD single crystals at a high temperature that is difficult to attain with use of a typical thermal CVD process. We show that monolayer single crystals of 450 μm lateral size can be prepared in 10 s, with the highest lateral growth rate up to 45 μm/s. Electronic characterization shows that the resulting monolayer WSe2 material exhibits excellent electronic properties with carrier mobility up to 90 cm2 V−1 s−1, comparable to that of the best exfoliated monolayers. Our study provides a robust pathway for rapid growth of high-quality TMD single crystals.

中文翻译:

WS 2和WSe 2单层大单晶的超快生长

单层过渡金属二卤化物(TMD)作为原子薄半导体,已达到最终的晶体管定标,因而引起了相当大的关注。对于集成电子中的实际应用,大型单层单晶对于确保一致的电子性能和高器件良率至关重要。当今可用的TMD通常是通过机械剥离或化学气相沉积(CVD)生长获得的,但通常具有混合层厚度,有限的单晶畴尺寸或非常慢的生长速率。单层TMD的大型单晶的可扩展和快速生长需要最大程度地提高横向生长速率,同时完全抑制垂直生长,这代表了一项基本的合成挑战,并已做出了巨大的努力。本文中,我们报告了一种改进的CVD方法,该方法具有可逆的可逆流,可快速生长单层TMD的大畴单晶。通过使用逆流来精确控制热CVD过程中的化学蒸气供应,我们可以在达到最佳生长温度之前有效地防止不希望的成核,并使单层TMD单晶在难以达到的高温下快速成核和生长使用典型的热CVD工艺。我们表明,可以在10 s内制备横向尺寸为450μm的单层单晶,横向生长速率最高可达45μm/ s。电子表征表明,所得单层WSe 通过使用逆流来精确控制热CVD过程中的化学蒸气供应,我们可以在达到最佳生长温度之前有效地防止不希望的成核,并使单层TMD单晶在难以达到的高温下快速成核和生长使用典型的热CVD工艺。我们表明,可以在10 s内制备横向尺寸为450μm的单层单晶,横向生长速率最高可达45μm/ s。电子表征表明,所得单层WSe 通过使用逆流来精确控制热CVD过程中的化学蒸气供应,我们可以在达到最佳生长温度之前有效地防止不希望的成核,并使单层TMD单晶在难以达到的高温下快速成核和生长使用典型的热CVD工艺。我们表明,可以在10 s内制备横向尺寸为450μm的单层单晶,横向生长速率最高可达45μm/ s。电子表征表明,所得单层WSe 我们表明,可以在10 s内制备横向尺寸为450μm的单层单晶,横向生长速率最高可达45μm/ s。电子表征表明,所得单层WSe 我们表明,可以在10 s内制备横向尺寸为450μm的单层单晶,横向生长速率最高可达45μm/ s。电子表征表明,所得单层WSe2材料具有出色的电子性能,载流子迁移率高达90 cm 2  V -1  s -1,与最佳片状剥离单层相比。我们的研究为高质量TMD单晶的快速生长提供了可靠的途径。
更新日期:2020-01-08
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