二維二硫化鉬催化動力學生長：氣-液-原子-固態（VLAS）生長機理

2020-07-14 X一MOL資訊

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

近年來，二維原子晶體材料在柔性電子器件和光電器件領域的表現突出，它的可控合成備受學者關注。目前，化學氣相沉積法作為二維材料最為可控的合成方式，無論是均相成核還是異相成核，通常可以生產出高質量的單晶薄片，而之後薄片可連接成大面積薄膜。非對稱晶體形貌或其表面在生長時，應遵循Wulff結構，使表面自由能最小化。對二維材料生長的研究中，已有大量研究表明二維二硫化鉬在近平衡的條件下，會生長出三角形或偶然生長出六邊形單晶薄片；與此相比，二維或者其他晶體在非平衡的條件下生長，會生長出樹突狀或沉澱狀等低對稱形貌。


近日，香港城市大學化學系（CityU CHEM）以及超金剛石薄膜研究中心(COSDAF)李淑惠（Thuc Hue Ly）研究小組報導了新的氣-液-原子-固體（VLAS）生長機理——頂角處的催化劑顆粒協同捕獲多個氣相分子以及沿相鄰邊緣的飽和原子擴散過度，快速且可控地合成高質量的高指數晶面（邊緣）和其它非Wulff形狀的二維過渡金屬硫族化合物。對生長襯底進行等離子預處理，而後在襯底上噴撒霧化的氯化鉀作催化劑，在非平衡條件下，成功生長出具有高指數晶面或者高對稱形貌的二維二硫化鉬單晶，推進了二維MoS2學氣相沉積（CVD）的動力學生長。基於晶體表面動力學不穩定性的理論，本工作指出了平直高指數晶面（邊緣）的生長機理。

二維二硫化鉬催化動力學生長：氣-液-原子-固態（VLAS）生長機理

圖1. 氣-液-原子-固體（VLAS）生長機理示意圖。


香港城市大學團隊在二維材料生長過程中發現，活性生長位點不僅僅局限在局部催化劑顆粒位置，還會影響到催化顆粒相鄰邊緣的生長，從而實現這種獨特的氣-液-原子-固體（VLAS）生長過程。原子沿邊緣的擴散可以使整個邊緣連續生長，從而產生具有高指數晶面（鄰近邊緣）或形成對稱形狀的二維材料，這在普通CVD生長條件下難以實現。因此這種新的VLAS催化動力學生長方法（鹽催化劑加表面等離子體處理等），為二維材料的邊緣和形態控制提供了新的方法，也為二維材料的應用領域（例如電催化和器件製造）提供了新的可能。

二維二硫化鉬催化動力學生長：氣-液-原子-固態（VLAS）生長機理

圖2. a. 二維二硫化鉬的不同角度樹枝狀薄片的暗場光學圖片。b. 二硫化鉬原子結構示意圖，其相鄰平面為｛100｝。Mo原子為藍色，S原子為黃色。c. 催化生長和相關原子輸運的示意圖。d. 通過動力學方法生長的雙層二維二硫化鉬薄片邊緣的透射電子顯微鏡圖像。高指數邊緣（白色虛線）中的原子臺階由紅色三角形標記。


這一成果近期發表在Journal of the American Chemical Society 上，香港城市大學博士研究生黃玲莉為該文章的第一作者，香港城市大學李淑惠教授和香港理工大學趙炯教授為該工作的共同通訊作者。這項工作由香港城市大學、國家自然科學基金、香港研究資助局、深圳科技創新委員會等支持。


Catalyzed Kinetic Growth in Two-Dimensional MoS2

Lingli Huang, Quoc Huy Thi, Fangyuan Zheng, Xin Chen, Yee Wa Chu, Chun-Sing Lee, Jiong Zhao, Thuc Hue Ly

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05057


李淑惠博士簡介


李淑惠，香港城市大學化學系和材料系(兼)助理教授，超金剛石薄膜研究中心(COSDAF)核心成員。2015年於韓國成均館大學畢業取得博士學位，師從Lee Young Hee教授。2015年至2017年在韓國基礎科學研究所CINAP工作，2017年八月起就職於香港城市大學。李淑惠教授的研究領域是二維原子晶體材料的合成，缺陷和應用研究。已在相關領域發表30餘篇重要文章，包括以第一或者通訊作者發表的JACS、Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Letters 等。


課題組主頁

https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/thuc-hue-ly(c46e09c4-6059-4f3f-b3b0-3b080e788482)/publications.html?page=0

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