【材料】大面積高質量MoS2/graphene垂直異質結的人工構築

2021-02-25 X-MOL資訊

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2004年，石墨烯(graphene)的首次發現，開創了二維半導體材料科學的新紀元。經過十多年的發展，諸多二維層狀材料，包括半金屬性的石墨烯(厚度約0.34 nm，零帶隙)、絕緣性的六方氮化硼(h-BN，帶隙約6 eV)以及以二硫化鉬(MoS2)為代表的過渡金屬硫化物(TMDs，帶隙約1-2 eV)等以其優異的物理與化學特性得到了學術界與工業界的廣泛研究與密切關注。對於石墨烯、TMDs等，其研製技術已經越來越成熟可控，特別是近年來，我國的科研團隊在單晶石墨烯製備領域中連續取得了重大突破 (Nat. Mater., 2016, 15, 43; Nat. Nanotechnol., 2016, 11, 930)。儘管如此，基於上述二維層狀材料異質結的人工構築：無論通過上下層之間的範德華力作用而形成的垂直異質結，還是通過CVD等技術手段經過層狀材料的平面外延而獲得的平面異質結，仍處於一個萌芽狀態(Adv. Funct. Mater., 2017, 1603884)。相比平面異質結界面處的線狀縫合，垂直異質結中的面面接觸更有利於應用器件的設計與實現。而如何發展新的研製技術來實現二維層狀半導體材料之間界面的有機結合，產生1+1>2的器件應用效果，成為近年來研究與發展的焦點。

針對上述問題，香港中文大學電子工程學系許建斌教授課題組與江南大學電子工程系萬茜教授的合作團隊，報導了通過石墨烯表面直接電鍍硫化鉬製備垂直異質結的電化學方案。作者巧妙地運用CVD石墨烯的特性：（1）高導電性，（2）表面原子級平整，（3）化學特性穩定，（4）真空耐高溫等，將其直接作為導電電極，經過在安全環保的四硫代鉬酸銨水溶液中的電鍍以及退火過程，成功研製出大面積、高質量的MoS2/graphene垂直異質結，並表現出良好的物理特性。通過調控石墨烯電極的極性（作為陽極或陰極）、電解質濃度、電鍍時間以及電鍍電流等關鍵性參數，該研究團隊實現了石墨烯表面的MoS2厚度從數納米到數百納米的連續可控。與此同時，作者通過X射線光電子能譜(XPS)對整個製備流程中Mo與S元素的化學價態以及結構變化進行了系統的跟蹤分析，進而揭示了其生長機制。這一研究成果對人工構築TMDs/graphene垂直異質結具有現實的科學意義與實用價值。該工作在線發表在Advanced Functional Materials上。

該論文作者為：Xi Wan, Kun Chen, Zefeng Chen, Fangyan Xie, Xiaoliang Zeng, Weiguang Xie, Jian Chen, Jianbin Xu

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

Controlled Electrochemical Deposition of Large-Area MoS2 on Graphene for High-Responsivity Photodetectors

Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201603998


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