2DM编辑优选：具有优异光电性能的晶圆级二硫化钨WS2的可控制备
文章介绍
Shiwei Zhang, Yulong Hao, Fenglin Gao, Xiongqing Wu, Shijie Hao, Mengchun Qiu, Xiaoming Zheng, Yuehua Wei, Guolin Hao (郝国林)
通讯作者：
- 郝国林，湘潭大学
研究背景：
二维TMDs具有可调的带隙、高载流子迁移率、强光物质相互作用和较大的激子结合能，被认为是未来高性能功能器件的一类优秀候选材料。研究表明WS2可以应用于忆阻器和相位调制器，使其在神经形态计算和光通信领域显示出巨大的潜力。基于WS2的场效应晶体管具有高达214cm2 V−1 s−1的室温迁移率,有望为二维半导体基集成电路的发展提供一定的实验支撑。近年来，晶圆级TMDs材料的可控制备已取得了一些进展，由于二维材料自限制生长的特性，层数可控二维TMDs的精准合成仍然具有极大的挑战。亟待开发一种简单有效的方法实现晶圆级TMDs二维纳米薄膜的精准制备。
研究内容：
图1：晶圆级2D WS2纳米结构的合成示意图
基于前驱体设计策略通过对钨金属箔进行氧化获得了均匀的三氧化钨箔片，并将其垂直放置在蓝宝石衬底上以形成高度可调的限域空间，相应的合成示意图如图1所示。
（图2所示）我们系统的研究了不同气体氛围退火条件下的蓝宝石基底对WS2生长的影响，并证明了在不同气体氛围下退火蓝宝石表面显示出的终端原子是不同的。在氢气（H2）氛围退火下，蓝宝石表面显示出铝终端，在氧气（O2）氛围退火下，蓝宝石表面显示出氧终端。不同的终端原子对WS2的成核密度起着关键作用。
图2：(a)-(c) 分别在原始、H2退火和O2退火的蓝宝石衬底上生长的WS2的AFM图像。(d)-(f) 分别为原始、H2退火和O2退火蓝宝石衬底的AFM图像。(g)-(i) 相应的O 1s核心能级的XPS结合能谱。
（图3所示）当空间限域高度分别设定为1.4、2和2.4mm时，可以制备三层、双层和单层WS2薄膜。在此基础上，将空间限域高度降低至0.2 mm，进一步实现了多层WS2薄膜的可控生长。系统的研究表明空间限域策略可以实现单层至多层不同厚度的晶圆级WS2纳米薄膜的精准合成。
图3：(a)-(f) 合成的不同厚度WS2纳米薄膜的AFM图像。(g) 从左至右，分别为单层、双层、三层和多层WS2纳米薄膜的数码照片。(h) 单层WS2上15个随机点的拉曼光谱。
（图4所示）我们的合成策略还可扩展至其他晶圆级过渡金属硫属化合物纳米薄膜的制备，如二硒化钨（WSe2）。
图4：(a)-(d) 单层、双层、三层和多层WSe2薄膜的AFM图像。(a) 和 (b) 的插图：分别为单层和双层WSe2晶圆的数码照片。(e) 生长的单层、双层、三层和多层WSe2的拉曼光谱。(f) 厚度相关的E12g峰值频率和峰值强度。
（图5所示）进一步探究了WS2的光电性能，基于单层WS2薄膜的光电探测器展现出优异的光电性能（0.355 A W-1的响应度和1.48×1011 Jones的探测率）。我们的研究结果为二维材料的大规模制备提供了一条独特的路径，同时可为高性能集成光电子器件的构筑提供了一定实验与理论支撑。
图5：基于单层WS2光电探测器的光电性能。
作者介绍
郝国林 教授
湘潭大学
- 郝国林，湘潭大学物理与光电工程学院教授，博士生导师，主要从事二维材料与异质结的可控制备与光电传感器件研究。在Science, ACS nano, Adv. Funct. Mater., Sci. Bull., 2D Mater.等国际期刊发表学术论文50余篇，论文被Science, Nat. Mater.等国际期刊引用3300余次。先后入选湖南省青年骨干教师，湖南省优青等，获得湖南省自然科学二等奖（排名第五），连续三届（2019，2021，2023）获得湘潭市自然科学优秀论文一等奖，获得2022年IOP出版社中国学者高被引论文奖。
期刊介绍
- 2022年影响因子：5.5 Citescore:11
- 2D Materials（2DM）是一本重要的高质量交叉学科期刊，将基础研究与迅速发展的新材料及应用汇集在一起。期刊从多学科的视角出发，力争涵盖石墨烯研究的各个方面，及其它二维材料的相关研究。文章内容包括：石墨烯和石墨烯衍生材料；硅和锗/锗烷氮化硼；二维拓扑绝缘子；复合氧化物；复合材料；新型二维分层结构。