清華新聞網(wǎng)9月21日電 由于二維（2D）過(guò)渡金屬硫族化合物（TMC）在原子級(jí)厚度下展現(xiàn)出半導(dǎo)體帶隙、高遷移率、獨(dú)特的光學(xué)響應(yīng)等一系列性質(zhì)，使其在微電子、光電子和能源等領(lǐng)域備受關(guān)注。2D TMC材料具有層狀或非層狀形式的晶體結(jié)構(gòu)，其中層狀2D TMC在層間具有弱范德華作用力，在層內(nèi)具有強(qiáng)共價(jià)鍵或離子鍵；而非層狀2D TMC則延續(xù)了體相材料的結(jié)構(gòu)，具有表面不飽和鍵與高表面活性。非層狀2D TMC由于表面不飽和鍵以及強(qiáng)的層內(nèi)和層間化學(xué)鍵，其難以通過(guò)傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備，這限制了極限厚度下對(duì)該類(lèi)材料表面電子態(tài)和表面性質(zhì)的研究。
作為代表性的非層狀2D TMC，F(xiàn)e1–xS（0 < x < 0.125, 六方磁黃鐵礦）具有NiAs結(jié)構(gòu)，是地球上最豐富的硫化鐵礦物之一。然而，其在2D薄厚度下的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)卻尚不明確。近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院成會(huì)明教授、劉碧錄副教授團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)林君浩副教授課題組、趙悅副教授課題組合作，通過(guò)在CVD過(guò)程中引入金屬及金屬氯化物作為雙金屬源，實(shí)現(xiàn)了多種薄層非層狀2D TMC的可控生長(zhǎng)，并研究了Fe1–xS在2D厚度極限下的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
研究人員提出了一種普適的雙金屬源生長(zhǎng)方法，利用金屬及其氯化物的混合物作為金屬前驅(qū)體，實(shí)現(xiàn)了非層狀2D TMC的可控生長(zhǎng)。以六方Fe1–xS為例，F(xiàn)e1–xS納米片的厚度薄至3nm，橫向尺寸超過(guò)100μm。與MoS2這類(lèi)層狀TMC（陰離子空位占主導(dǎo)）不同的是，本研究在Fe1–xS中發(fā)現(xiàn)了有序陽(yáng)離子Fe空位。低溫輸運(yùn)測(cè)試和理論計(jì)算結(jié)果表明，2D Fe1–xS是一種穩(wěn)定的窄帶隙半導(dǎo)體，其帶隙寬度約為60 meV。除Fe1–xS外，該方法還可用于生長(zhǎng)其他多種具有有序陽(yáng)離子空位的非層狀2D TMC，包括Fe1–xSe、Co1–xS、Cr1–xS和V1–xS。本工作促進(jìn)了非層狀材料在2D厚度極限下的生長(zhǎng)和物性探索。
圖1. 雙金屬源制備多種非層狀二維過(guò)渡金屬硫族化合物
圖2. 非層狀二維Fe1-xS的結(jié)構(gòu)表征
圖3. 非層狀二維Fe1-xS中的有序陽(yáng)離子Fe空位表征
圖4.非層狀二維Fe1-xS中的電學(xué)特性
圖5. 非層狀二維Fe1-xSe、Co1-xS、Cr1-xS和V1-xS的電學(xué)特性
相關(guān)成果近日以“雙金屬源制備具有有序陽(yáng)離子空位的非層狀二維金屬硫化物”（Dual-metal precursors for the universal growth of non-layered 2D transition metal chalcogenides with ordered cation vacancies）為題在線(xiàn)發(fā)表在期刊《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）上。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授成會(huì)明、副教授劉碧錄和南方科技大學(xué)副教授林君浩、趙悅為論文通訊作者；清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2018級(jí)博士研究生譚雋陽(yáng)、2020級(jí)博士研究生曾圣鋒和南方科技大學(xué)2019級(jí)博士研究生張宗騰為論文共同第一作者。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授鄒小龍、干林，博士王經(jīng)偉、趙仕龍、陳文駿，2021級(jí)碩士研究生李晟楠、2020級(jí)碩士研究生鄭榮戌，2020級(jí)博士研究生魏印平、孫宇杰，2019級(jí)博士研究生張榮杰、農(nóng)慧雨以及南方科技大學(xué)博士侯福臣。該研究得到了基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目，廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927322002687
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
