刘云圻/魏大程团队《Adv. Mater.》：提出自锚定范德华堆叠生长机理 - 实现过渡金属二硫族化合物纳米片的阵列生长

2024-08-22 来源：高分子科技

过渡金属二硫族化合物（Transition-metal dichalcogenides, TMDs)作为范德华（van der Waals, vdW）层状材料的重要成员，过去十几年来受到研究人员的广泛青睐。目前，大量研究集中于单层vdW材料的合成，相比而言，纳米片有着单层晶体所缺乏的独特性质，包括丰富的离子通道，大量的活性位点，高载流子密度以及较大的光谱响应范围等。然而，由于vdW材料缺少面外化学键，使得相邻层之间的作用力极弱，进而导致厚层纳米片的化学气相生长存在较大挑战。此外，传统化学气相输运或化学气相沉积法（Chemical vapor deposition, CVD）一般是基于气-固-固（Vapor-Solid-Solid, VSS）机理，高扩散性的气态源往往会导致随机形核及晶体随机生长，使得所得晶体在电子或光电等要求阵列器件的应用中受到极大限制。

复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室魏大程课题组长期致力于研究新型场效应晶体管材料、晶体管设计原理以及在化学、生物传感领域的应用。日前，刘云圻院士、魏大程研究员团队报道了一种“TMD晶体的自锚定范德华堆叠生长机理”。

图一、自锚定范德华堆叠生长与表面自限生长的过程对比

研究发现，盐辅助生长TMD晶体过程中，所使用的盐助剂在高温下会对生长衬底产生化学刻蚀，形成深度几十到百纳米的刻蚀凹坑，这种凹坑会将熔融反应物锚定，使熔体在水平方向的流动受到限制，后续晶体生长只能在刻蚀坑内进行，而无法在水平方向拓展，因此本研究称以上过程称为“self-anchored growth”（自锚定生长）。

图二、自锚定范德华堆叠生长所得纳米片的结构表征

研究还发现，自锚定生长过程中，晶体首先在熔融微液滴表面形核，之后在垂直方向上向衬底拓展生长，与传统由衬底向上生长模式完全相反，研究指出，这种不同是由于源物质的供应来源差异，传统CVD法遵循VSS机理，气态源由载气输运至固态衬底，并在其上生长得到固态晶体，生长是由衬底向上的。而本研究中，金属源为自锚定的微液滴，载气将硫族源输运至液态金属源后，二者原位反应生成固态晶体，遵循气-液-固（Vapor-Liquid-Solid, VLS）机理。由于生长是由顶部向衬底方向逐层生长的，因此称之为“vdW stacking growth”（范德华堆叠生长）。基于以上发现，通过设计表面能差异化衬底，团队借助高温原位可视设备观察到了高温源液滴在衬底表面的自组装和自锚定过程，并最终实现了纳米片的阵列生长以及光电阵列器件的搭建。

图三、高温原位观察源液滴在衬底表面的自组装行为（设备由基元科技提供）

图四、a) 高温原位可视化设备及源物质的自组装过程截图；b-e) 纳米片结构表征；f-i）基于WSe₂纳米片的光电阵列器件展示及光电性能测试

该成果以“Self-Anchored Van-Der-Waals Stacking Growth of Transition-Metal Dichalcogenide Nanoplates”为题发表于《Advanced Materials》。课题组强丁丁和唐亚楠博士为共同第一作者，魏大程研究员、刘云圻院士为论文通讯作者，苏州基元科技有限公司的王迪教授和许向鹏为本研究提供了设备支持，研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导项目和复旦大学的支持。

课题组主页：www.weigroupfudan.com

论文信息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407586

Self-Anchored Van-Der-Waals Stacking Growth of Transition-Metal Dichalcogenide Nanoplates

Dingding Jiang^#, Ya-Nan Tang^#, Di Wang, Xiangpeng Xu, Jiang Sun, Rong Ma, Wenhao Li, Zhiya Han, Yunqi Liu*, Dacheng Wei*

Advanced Materials, 2024, DOI: 10.1002/adma.202407586

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（责任编辑：xu）

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