二维过渡金属硫族化物(TMDCs)异质结/超晶格低温可控制备与物理特性研究

The preparation and characterization of two-dimensional heterojunctions/superlattices are one of the focuses of the future two-dimensional material research. Around the two-dimensional TMDCs heterojunctions are faced with the key scientific issues of small size, low interface quality, difficult to control morphology, and excessive reaction temperature, etc. This project will investigate the controllable low-temperature preparation and physical characterization of large-area, high-quality, two-dimensional TMDCs heterojunctions/superlattices. The main content of the study is by optimizing the precursors, catalysts, growth substrate, controlling the growth atmosphere and reaction process design to realize the controllable low temperature preparation of two-dimensional TMDCs heterojunctions/superlattices and to obtain a variety of horizontal TMDCs heterojunctions/superlattices with atomic-level sharp interfaces and large area uniform longitudinal TMDCs heterojunctions/superlattices. At the same time, the nucleation density on the substrate is suppressed and the area of TMDCs heterojunctions/superlattices increases correspondingly. Moreover, based on the as-grown TMDCs heterojunctions/superlattices, their novel physical properties will be systematically studied. This research will develop the preparation methods of two-dimensional heterojunctions/superlattices and pave the way for their future low-temperature synthesis. In addition, it will enrich the types of heterojunctions/superlattices in 2D TMDCs and expand people's understanding of their physical properties. Our research goal is: obtaining high-quality two-dimensional TMDCs heterojunctions/superlattices > 250μm in the area; achieving rapid growth of heterojunctions/superlattices below 750 centigrade; revealing novel physical properties of two-dimensional TMDCs heterojunctions/superlattices, such as surface plasmons, chiral luminescence and so on.

二维异质结/超晶格的制备和特性研究是未来二维材料的研究重点之一。围绕二维TMDCs异质结制备所面临的尺寸较小，界面质量不高，形貌较难控制，反应温度过高等关键科学问题。本项目将研究大面积高质量二维TMDCs异质结/超晶格的可控低温制备方法和其物理特性。研究的主要能容为：通过优化前驱体、催化剂、生长衬底、生长气氛和反应过程设计，实现二维TMDCs异质结/超晶格的低温可控制备，控制成核密度，增大异质结/超晶格面积，从而获得多种界面原子级清晰的横向异质结和大面积均匀的纵向异质结，并研究其新颖物理特性。该项研究将会发展二维异质结/超晶格的制备方法，为其低温制备开辟道路。同时将丰富二维TMDCs异质结/超晶格的种类，并拓展人们对其物理特性的认识。我们的研究目标是获得面积>250微米高质量二维TMDCs异质结/超晶格；实现低于750度异质结/超晶格快速生长；揭示异质结表面等离子激元和手性发光等物理特性。

在本项目中，通过可溶前驱体的开发和优化，发展了具有工业化前景的二维材料毫米级单晶和异质结的CVD快速生长方法，简化了TMDCs材料的制备工艺，增加了单晶尺寸；通过精确调控CVD系统中的氢气等离子体处理工艺成功定位出新型二维“二面神” MoSH的生长窗口，并表明MoSH是费米面位于其导带内的金属性二维材料；展示了栅极电压对所合成的单层 MoS2-WS2 横向异质结的费米能级和内建电势的高调节过程，证明其在二维光电探测和光伏器件领域具有广阔的应有前景；通过优化挥发性溶液的处理工艺，使得CVD生长的TMDCs与衬底见的应力得到有效释放，从而显著提高了CVD TMDCs 的PL 量子效率；通过耦合金属纳米颗粒的电磁增强与1T' MoTe2的化学增强和分子吸附能力，制备出具有优异性能的SERS衬底。. 主要研究内容包括6个方面：1）通过使用工业喷墨打印机对水性前驱体的精确控制，并通过精确调整喷墨打印参数和快速加热工艺，实现了厘米尺寸的大面积图案化TMDCs薄膜，以及TMDCs异质结构的简单可控制备。并且可以在30秒内制备出毫米尺寸的TMDCs单晶。2）结合电化学沉积方法和低温二次结晶化（500 oC），成功在CVD 石墨烯表面制备出厚度均匀的WS2多晶薄膜，实现了WS2/石墨烯异质结构，并在石墨烯表面观察到具有扭曲和解耦特殊结构的 WS2。3）精确调控CVD系统中的氢气等离子体处理工艺，将二维层状半导体材料MoS2的上层S原子，成功替换成H原子，生成了由 H、Mo 和 S 原子层组成的“二面神” MoSH。并进一步证实MoSH具有明显的金属特性。4）系统研究了栅极电压对所合成的单层 MoS2-WS2 横向异质结的费米能级和内建电势的调节过程。结合使用KPFM表征和所制备的电子器件的I-V特性测试，揭示了栅极电压对MoS2-WS2内建电势的高调节性。5）通过比较不同种类的挥发性溶液处理工艺，以及传统的转移工艺，发现具有中等挥发速率的挥发性溶液如乙醇或IPA是提高CVD单层TMDCs PL性能的最优选择。处理后的 CVD 样品的 PL QY 平均可以增加 6 倍。6）基于 1T' 过渡金属碲化物 (TMT)高表面活性，在 1T' MoTe2 表面自发原位生长高密度金纳米颗粒层，形成了等离子体与二维材料混合的 SERS 衬底，得到了超灵敏的 SERS 检测效果。