襯底在氣相法合成二維（2D）
過渡金屬硫族化合物(TMDCs)並調控其性質方面扮演著重要的角色。通常，襯底的功能和它的晶體對稱性，晶格常數及物化性質息息相關。譬如，藍寶石和雲母襯底由於具有和TMDCs相似的對稱性和較低的晶格失配，能夠有效地控制外延薄膜的生長方向，減少晶界處的缺陷密度；一些低對稱性的襯底如SrTiO3或LaAlO3等，可以通過影響表面擴散來調節材料的形貌，形成TMDCs枝晶，增加活性位點；熔融石英因其較低的熱膨脹係數（TEC），能夠在外延的雙層MoSe2中產生較大的拉伸力，實現間接帶隙到直接帶隙的能帶轉變。儘管之前報導的這些襯底能夠在某些領域發揮作用，但它們的功能相對單一，對於材料的控制有限，極大地限制了TMDCs複雜結構（如：大面積一維TMDCs納米帶，一維/二維複合TMDCs）的製備及潛在應用的實現。
近日，
南方科技大學程春課題組發現
m面單晶石英能夠作為一種多功能的襯底，有效控制單層二硫化鎢(WS2)的生長方向並調控其能帶結構和形貌維度。這一成果作為封面文章發表在
Chemistry of Materials 上。合作者包括香港科技大學
王寧教授、清華大學
劉鍇教授、西雪梨大學
Abbas Amini教授、河海大學
唐春梅教授。該工作得到了粵港創新合作、廣東高水平人才計劃、香港研究資助局等項目的經費支持。
圖2. WS2和單晶石英的(a-b)匹配關係示意圖及(c-d)不同角度下的結合能。研究者首先對外延生長WS2和m面石英的排列關係進行了分析，發現WS2在石英的[0001]方向具有優勢排列取向(如圖1所示)。與之前報導的藍寶石/WS2取向的情況不同，雖然m面石英和WS2的對稱性不同，但二者具有各向異性的周期性晶格匹配（如圖2），能夠將WS2沿著石英[0001]方向排列。理論計算從能量角度驗證了這種匹配關係的存在。
圖3. 單層WS2能帶從直接帶隙到間接帶隙的轉變。此外，研究者還發現，石英具有較大的熱膨脹係數，能夠在外延的單層WS2中產生較大的壓縮應力。通過降溫，這種壓縮應力會不斷增大，引起能帶的進一步變化（圖3）。通過原位光致發光表徵和理論計算，研究者發現大約0.5%的單向壓縮力即可引起單層WS2從直接帶隙到間接帶隙的轉變，這比之前報導的單向拉伸力的情況要小5倍（需要至少2.5%）。
圖4. 單層WS2維度從準一維的梯形向二維三角形的演化。研究者通過改變生長時間，使外延WS2的維度從準一維的梯形轉變為二維三角形（圖4）。通過理論計算發現，m石英在正交方向形成了各向異性的擴散勢壘。這種各向異性的擴散勢壘在WS2單體濃度較低的情況下起到主導作用，促進了各向異性的生長。隨著生長時間增加，襯底表面的單體濃度趨於飽和，各向異性擴散勢壘的影響被極大地削弱。WS2則更傾向於按照本身的對稱性來生長，降低表面能。
這篇工作不僅加深了襯底和外延材料關係的理解，還為控制2D TMDCs的生長提供了有效的方法。此外，直接在生長襯底上調控材料的性能也為設計複雜結構TMDCs及其相關應用提供了更多的可能。Multiple Regulation over Growth Direction, Band Structure, and Dimension of Monolayer WS2 by a Quartz Substrate Jingwei Wang, Yi Luo, Xiangbin Cai, Run Shi, Weijun Wang, Tianran Li, Zefei Wu, Xian Zhang,Ouwen Peng, Abbas Amini, Chunmei Tang, Kai Liu, Ning Wang, Chun ChengChem. Mater.,
2020, 32, 2508-2517, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b05124
https://www.x-mol.com/university/faculty/47853
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