中科院金屬所等大面積高質量均一單層二硫化鎢制備研究獲進展

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二維過渡族金屬硫化物（Transition metaldichalcogenides,TMDCs）是一類由過渡族金屬原子和硫族非金屬原子構成的二維晶體材料，大都具有半導體特性（如MoX2和WX2，其中X=S，Se，Te）或超導特性（如NbX2和TaX2，其中X=S，Se），極大豐富了二維晶體材料的物性和應用。與多層材料不同，單層半導體性TMDCs是直接帶隙半導體，量子產(chǎn)率高，并具有顯著的谷極化效應，在柔性電子/光電子器件以及谷電子和自旋電子器件領域具有重要應用前景。

單層WS2是一種重要的半導體性二維TMDCs。目前制備單層WS2的方法主要有機械剝離法、液相剝離法和以惰性非金屬材料（如SiO2/Si，Al2O3等）為生長基體的化學氣相沉積（CVD）法。相比于前兩種方法，CVD方法雖然可以實現(xiàn)大面積二維WS2的制備，但由于范德華外延生長機制，所得材料的層數(shù)可控性差，難以獲得大面積均一的單層材料，并且材料晶粒尺寸小（一般小于100微米），存在大量的硫原子空位等結構缺陷，導致其載流子遷移率很低。此外，剛性的非金屬生長基體與現(xiàn)有的卷對卷的柔性薄膜生產(chǎn)工藝以及柔性印刷電子工藝不兼容，制約了其在柔性電子/光電子學方面的應用。

最近，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室先進炭材料研究部的任文才研究組在大面積高質量均一單層的WS2的制備與柔性電子學應用研究方面取得了新進展。他們基于二元相圖分析和理論計算發(fā)現(xiàn)，金是唯一在高溫下不與硫反應生成硫化物的金屬，并且金具有催化活性，可有效降低三氧化鎢硫化過程的勢壘，且高溫下金中鎢原子的溶解度極低。在此基礎上，他們提出采用金為生長基體的表面催化常壓CVD方法，實現(xiàn)了高質量、均一單層的毫米級尺寸WS2單晶以及大面積薄膜的制備。研究發(fā)現(xiàn)，與銅上石墨烯的生長類似，金的催化活性以及金中極低的鎢溶解度，使得金上WS2的生長遵循自限制表面催化生長機制，進而保證了均一單層的高質量WS2晶體的生長。此外，常壓下制備的單層WS2與金基體結合較弱，因此可采用電化學鼓泡方法在不損壞金基體的情況下實現(xiàn)WS2的高質量轉移。該方法制得的單層WS2具有很高的結晶質量，表現(xiàn)出與機械剝離法制備的材料相比擬的光學和電學性質（遠優(yōu)于以惰性基體CVD生長的材料）。

此外，他們利用金箔具有很好的柔性和化學穩(wěn)定性的特點，提出了卷對卷與電化學鼓泡相結合的無損轉移方法，在不破壞金基體的情況下實現(xiàn)了大面積單層WS2薄膜到柔性透明基體（如PET、PEN等）上的低成本連續(xù)轉移。通過層層轉移，還可以制備出大面積柔性透明的雙層、多層WS2薄膜以及WS2/石墨烯疊層異質結構功能薄膜。采用卷對卷的電化學鼓泡無損轉移方法，他們還實現(xiàn)了大面積柔性透明的單層WS2薄膜晶體管陣列的制備，柔性器件的電學性能與SiO2/Si基體上器件相當，并且在彎折上百次后電學性能不發(fā)生衰減。

高質量的均一嚴格單層WS2單晶和薄膜的低成本、大面積制備，為其在柔性電子/光電子器件以及谷電子和自旋電子器件領域的應用奠定了材料基礎。該成果得到了國家自然科學基金委杰出青年基金、重大項目、創(chuàng)新群體以及中科院重點部署項目等的資助，于10月9日在Nature Communications上在線發(fā)表（Nature Communications, 6:8569, DOI: 10.1038/ncomms9569, 2015）。

沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室馬秀良研究組、孫東明、尹利長以及北京大學電子學系彭練矛研究組的研究人員也參與了這項工作。

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