以過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDCs）為代表的二維半導(dǎo)體具有原子級(jí)的厚度、獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)光學(xué)性質(zhì)，是下一代電子、光電子器件的重要材料體系。采用化學(xué)氣相沉積法可以制備出大尺寸單晶二維TMDCs，但所得材料通常具有數(shù)量較多且不均勻分布的晶格缺陷（硫空位），影響了二維TMDCs的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。因此，制備具有高質(zhì)量和高均勻性的二維半導(dǎo)體是該領(lǐng)域的一大難題。

減少生長(zhǎng)過(guò)程中硫空位的形成，優(yōu)化硫源供給是關(guān)鍵。在化學(xué)氣相沉積法中，傳統(tǒng)硫族元素單質(zhì)粉末被廣泛使用，但在生長(zhǎng)過(guò)程中易出現(xiàn)硫源供給濃度不均勻、不穩(wěn)定等問(wèn)題，導(dǎo)致材料在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生大量局域分布的硫空位。

近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種采用“熔化-重凝”的硫單質(zhì)前驅(qū)體（即重凝硫前驅(qū)體）的化學(xué)氣相沉積方法，通過(guò)提高硫族元素（硫，硒）供應(yīng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量和高均勻性的TMDCs的生長(zhǎng)。

研究人員比較了使用不同硫前驅(qū)體的生長(zhǎng)效果。與傳統(tǒng)方法相比，采用重凝硫前驅(qū)體生長(zhǎng)的單層WS2表現(xiàn)出均勻的熒光強(qiáng)度。低溫下測(cè)得該類樣品具有極窄的光致發(fā)光峰（13.6 ± 1.9 meV），缺陷峰強(qiáng)度明顯低于傳統(tǒng)樣品，本征發(fā)光更強(qiáng)。研究人員采用球差校正掃描透射電子顯微鏡在原子尺度統(tǒng)計(jì)了WS2的缺陷密度，結(jié)果表明采用重凝硫前驅(qū)體生長(zhǎng)的單層WS2具有高結(jié)晶質(zhì)量和高均勻性（邊緣區(qū)域和中間區(qū)域缺陷密度相近，約為1×1013cm2），進(jìn)一步證明了重凝硫前驅(qū)體的有效性。

同時(shí)，該方法還具有重復(fù)性和普適性，可推廣至其他二維TMDCs（如MoS2、WSe2和MoSe2）的制備中。該研究為高質(zhì)量、高均勻性的二維半導(dǎo)體材料可控制備提供了有效手段，有利于推動(dòng)二維半導(dǎo)體在電子學(xué)及光電子學(xué)等方面的應(yīng)用。

圖1.采用重凝硫前驅(qū)體生長(zhǎng)二維TMDCs的策略

圖2.單層WS2的光學(xué)質(zhì)量及均勻性

圖3.單層WS2的缺陷表征

圖4. 重凝硫前驅(qū)體生長(zhǎng)二維TMDCs的普適性

相關(guān)研究成果近期以“用于生長(zhǎng)高質(zhì)量二維半導(dǎo)體的重凝硫前驅(qū)體”（Resolidified Chalcogen Precursors for High-Quality 2D Semiconductor Growth）為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie InternationalEdition）期刊上。

論文通訊作者為劉碧錄，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理研究員吳沁柯博士、2019級(jí)博士生農(nóng)慧雨。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士研究生鄭榮戌以及張榮杰博士、王經(jīng)緯博士、楊柳思博士。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)委、工信局等的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/anie.202301501

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審核編輯：劉清