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大尺寸均匀单层二硫化钼可控制备材料

单层半导体性过渡族金属硫属化合物（MX2: MoS2, WS2 等）是继石墨烯之后备受关注的二维层状材料。该类材料具有优异的电学性质、强的光物相互作用、高效的催化特性等，在光电子学器件、传感器件、电催化产氢等领域具有非常广阔的应用前景。单层MX2 材料的批量制备和高品质转移是关键的科学问题。现有方法仍面临着诸多重大挑战，例如，难以实现晶圆尺寸的层数均匀性、单晶畴区小、生长速度缓慢、生长衬底价格昂贵、转移过程复杂、容易引入污染物等。北京大学张艳锋课题组是国内较早开展相关研究的课题组之一，在单层MX2材料的可控制备、精密表征和电催化产氢应用方面取得了一系列重要进展：基于范德华外延的机理，他们在晶格匹配的云母基底上首次获得了厘米尺度均匀的单层MoS2 (Nano Lett. 13, 3870 (2013)，他引198次)；在蓝宝石上获得了大畴区单层WS2 (ACS Nano 7, 8963 (2013), 他引250次)；发展了一种新型的金属性箔材(Au箔)基底，实现了畴区尺寸可调单层MoS2的制备，借助STM/STS表征技术建立起了材料原子尺度的形貌/缺陷态、电子结构和电催化析氢之间的构效关系 (ACS Nano 8, 10196 (2014)，他引124次)。上述成果也受邀撰写综述文章(Chem. Soc. Rev. 44, 2587 (2015)，他引92次)。最近他们在大尺寸均匀MoS2的批量制备以及“绿色”转移方面取得重要进展。他们选用廉价易得的普通玻璃作为基底，创新性地采用Mo箔作为金属源(与S粉共同作为前驱体)，采用“face-to-face”的金属前驱体供给方式，实现了前驱体在样品上下游的均匀供应，使得样品尺寸可以得到最大限度的放大(仅受限于炉体尺寸)，获得了对角线长度可达6英寸的均匀单层MoS2; 结合DFT理论计算和系统的实验结果发现，玻璃基底上微量的Na对材料生长起到明显的促进作用, Na倾向于吸附在MoS2畴区的边缘，起到显著降低MoS2拼接生长能垒的作用，从而促进其快速生长。获取满覆盖单层样品的生长时间仅为8 min，单晶畴区边缘尺寸可达0.5 mm。此外，他们利用玻璃基底的亲水特性，发展了一种无刻蚀的、仅利用超纯水辅助的“绿色”转移方法。该方法适用于晶圆尺寸样品的快速转移，且具有操作简单，转移样品质量高等明显优势。该工作提出了利用廉价的普通玻璃基底来制备大面积、晶圆尺寸均匀、大畴区单层MoS2的新方法/新途径，并深入分析了其生长机制，为相关二维材料的批量制备和高效转移提供了重要的实验依据，对于推动该类材料的实际应用具有非常重要的意义。

北京大学 2021-04-10