电子束辐照下二维层状过渡金属二硫族化合物缺陷的产生与修复的原位研究

Two-dimensional layered transition metal dichalcogenides (TMD) has potential applications due to the unique structure and properties. Defects often soccur on the surface of TMD, while the type, production, evolution and its relationship with electronic structure are still not clear.In this project, electron beam with high energy generated by spherical aberration-corrected Transmission Electron Microscope (TEM) and Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) will be used to irradiate two-dimensional layered TMD. The type, quantity and evolution of defects produced in TMD will be studied. The mechanism of defect production is to be understood. The change of electronic structure caused due to different type of defects is to be studied. In order to heal the defects under electron beam irradiation, various chalcogenides is to be subsequently introduced after the production of defects. And we expect that the property of TMD can be modulated. The technology of producing two-dimensional Layered TMD hybrid will be explored. Finaly, simulation will be used to explain the mechanism of defects prodution or self- repairation. This project would be great help to understand the production and evolution of defects in TMD, Possible defect suppression and repair methods are to be developed. We will show the effect of defects on the electronic structure, and pave a way to the application of TMD on electron device and provide theoretical direction.

二维层状过渡金属二硫族化合物(TMD)因其特殊的结构和性能，具有重要的应用前景。二维TMD表面容易产生缺陷，但是缺陷的类型、产生、演变及其同电子结构的关联等重要问题尚不清楚。本项目拟利用球差矫正透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)，原位观察不同电子束辐照条件下，单层TMD中缺陷的产生、类型、数量及演变过程；产生缺陷后，引入微量硫族元素（与原TMD中的硫族元素相同或相异），利用电子束诱导缺陷的修复，观察其修复的动态过程；结合理论计算和分析，研究相关的机理。本项目的实施，有助于更深入地理解TMD中缺陷的产生和演化过程，发展出可能的缺陷抑制和修复方法，了解微观缺陷对TMD材料的电子结构的调控和影响，为二维层状TMD材料在电子器件领域的应用提供理论指导和实验基础。

二维层状过渡金属二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenide, TMD)，由于其特殊的结构和性能，在光化学电池、蓄电池、工业催化剂、固态润滑剂方面具有潜在的应用。但是TMD材料的机械强度、催化活性、光电磁等性能都与缺陷密切相关。在现有技术下，很难做到在制备过程中对缺陷进行原子尺度的原位研究。但是，利用球差矫正透射电子显微镜，可以使得缺陷的调控与原子尺度的原位观察可以同时兼顾。. 本项目以单层TMD材料为研究对象，通过球差校正电镜的电子束辐照样品，引入缺陷，在原子尺度研究了缺陷的产生过程、演变过程与形成机理；引入了异质硫族元素，尝试了利用电子束辐照实现对缺陷进行修补。此外，本项目在原子尺度研究了1T相TMD在电子束下原位转变成2H相的动态过程。最后我们制备了三元合金TMD材料，并发现了一种新的TMD生长机理，即核壳生长模型。项目的实施丰富了对层状TMD 缺陷产生、运动和修复机理的认识，加深了对层状TMD材料从结构到性能的关系的理解。根据我们的研究，我们发现：. （1）TMD二维材料在电子束辐照下，先发生硫族元素原子的缺失，紧接着是过渡金属的缺失或迁移。该过程中可能伴随临界的动态反复过程，即硫族元素或过渡金属的缺失存在一个缺失-恢复-缺失的临界过程。我们摸索了异质硫族元素对缺陷的修补，实现了瞬态的修补效果。. （2）1T相的TMD材料在电子束下会逐渐变化成为2H相结构，其原子结构特征由条纹状逐渐变为六次对称的2H相。电子束对该结构的调控有望用于制备1T-2H的同质异质结结构。. （3）成功制备了Mo(1-x)WxS2与MoS2(1-x)Se2x三元TMD合金材料，通过组分实现了对其能带的调控，并从DFT理论计算角度对该能调的调控进行了理解，该研究为TMD的性能调控提供了指导。此外我们发现并证实了一种特殊的MoS2生长模式，即核壳生长模式。该新生长模式的发现丰富了人们对TMD材料生长的认识和加深了对生长机理的理解。