CVD法生长二硫化钼原子层的微观机理研究

Chemical vapor deposition (CVD) is potentially a prevailing technique for large scale and controlled production of two-dimensional (2D) MoS2, Nevertheless, the current CVD technology is still far away from the targeted controlled production of high quality 2D MoS2. An improved understanding of the growth mechanism of 2D MoS2 at the atomic level would shed new lights on the intrinsic growth rules and offer insightful guidance for experimental synthesis. Based on our previous comprehensive study of interactions between 2D MoS2 and different 2D substrates, we plan to use the first-principle calculations combined with molecular dynamic simulations to simulate the growth process of 2D MoS2 under various reaction conditions, including dissociation of precursors, diffusion of active species, the redox reactions with S. Our goal is to reveal CVD nucleation mechanism for 2D MoS2 growing on different substrates. The effect of grain boundary on the electronic and optic properties will be explored. More importantly, positive effects of the aromatic molecules to the nucleation will especially be investigated. New insights and intrinsic rules gained on the growth mechanism of 2D MoS2 will assist experimentalists to develop new CVD technology for grow high-quality 2D MoS2 in a controllable manner.

最近，利用化学气相沉积法（CVD）生长原子层厚度的二硫化钼受到了实验的广泛关注，然而离大规模可控生长高质量二维二硫化钼的目标仍然很远。从原子尺度理解其生长机理可以发现其中的规律，从而控制反应条件，为进一步制备高质量的样品提供指导。本项目基于我们前期对单层二硫化钼与二维衬底之间不同相互作用机制的理解，结合第一性原理和分子动力学计算，模拟前体的分解、活性基团在表面的扩散迁移及其与硫的氧化还原反应、聚集成核等生长过程，进一步研究生长过程中晶界等缺陷形成的动力学行为及其对电子和光学性质的影响。我们将着重探讨芳香分子促进成核的物理机制，寻找潜在的能促进成核的分子，并探索实验方法的改进以提高样品质量。本项目从原子尺度研究二维二硫化钼的生长过程，所得的结果可以为控制反应条件来制备高质量样品提供理论指导。

本项目围绕MoS2的生长机理以及二维材料结构和物性研究开展了系统的研究，得到了一些有意义的研究结果，主要内容包括：1）CVD法制备初期在气相中形成的MoxOy以及MoxSy（x=1,2 y =1-6）团簇的稳定性，结果表明随着Mo饱和程度的增加，团簇的形成能越低，越为稳定。我们研究了这些团簇在Al2O3(0001)衬底上的吸附行为，发现MoO3和MoS3团簇在表面的吸附能量最低，暗示实验上在MoS2生长的初期，可能在表面上易于形成MoO3 或MoS3基团。接着我们研究了MX2（M = Mo，W; X = S，Se）与Al2O3衬底的相互作用，我们的结果表明层间会形成范德瓦尔斯作用，衬底会在带间形成能级。2）我们系统研究了以MX2（M = Mo，Cr，W; X = S，Se）作为衬底与MoS2形成的不同堆积角度的异质双层的相互作用以及电子性质。并且得到了一些普遍性的规律，发现层间范德华相互作用对体系的电子性质有重要影响，有堆积角度的异质双层的层间距离明显增加，带来层间范德华相互作用的改变，从而影响系统的电子结构。特别地，在以CrSe2和MoSe2为衬底的体系中，间接带隙（Γ-K）会增加约0.1 eV，导致体系出现间接到直接带隙的转换。3）我们还受邀撰写了CVD法制备基于二维TMDC异质结的最新进展作为专著中的一章发表。4）通过第一性原理计算，我们系统地研究了不同类型的线缺陷对ZnO纳米带和单层的电子和磁性的影响。5）我们从理论上预测了一种新型的二维黑磷的衍生材料CaP3，发现其具有很好的稳定性，并且可从其体相剥离，单层的迁移率高达约20000 cm2 V-1 s-1，并具有约1.15 eV的直接带隙。光学吸收谱的计算表明，该材料具有良好的光学性质，在未来的电子和光学材料具有潜在的应用价值。6）此外，我们合作研究了在二维材料BN表面吸附CO2工作。表明了电场对于分子吸附的调控作用。