综述:大面积二维材料的合成,性质和应用

Two‑Dimensional Materials in Large‑Areas: Synthesis, Properties and Applications

Ali Zavabeti*, Azmira Jannat, Li Zhong, Azhar Ali Haidry, Zhengjun Yao, Jian Zhen Ou*
Nano-Micro Lett.(2020)12:66
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0402-x
本文亮点

1 总结了包括TMDCs、hBN、石墨烯、非层状化合物、黑磷、Xenes以及其它横向尺寸超过100 μm的兴二维材料的合成策略。

2 讨论了大面积二维材料合成的晶体质量优化和缺陷工程

3 探讨了大面积二维材料在电子学和光电子学方面的应用

内容简介

大面积和高质量的二维晶体是开发下一代电子光学器件的基础。晶圆尺度二维材料的合成是工业应用的关键步骤,其仍是一个重大挑战。人们在制备具有大横向尺寸、厚度可控且均匀、晶体域大且缺陷最小的原子级厚度二维材料方面付出了大量努力。本文综述了近年来横向尺寸超过100 μm的高质量二维晶体合成路线方面的研究进展,讨论了每种方法在合成难度、缺陷程度、晶粒尺寸和均匀性等方面的优缺点,最后总结了大面积二维晶体在电子学和光电子学中的应用。

研究背景

合成大面积高质量具有原子级厚度的材料是当前热点研究方向。可控生长大面积超薄二维材料使设计和集成具有复杂元件的电子设备成为可能,为光学和异质结构设备提供了增强接口。二维晶体合成过程中的不均匀性和缺陷的形成是影响器件性能的重要因素,其厚度对晶体的光学、振动和电子性质有重要影响。因此,材料的厚度和均匀性对器件性能的可靠性起着重要的作用。

图文导读

I 二维材料横向尺寸的发展

Novoselov等人在2004年首次剥离出单层石墨烯,随后在2005年制备出横向尺寸低于100 μm的TMDCs(如MoS2和NbSe2)。如图1a所示,通过化学气相沉积(CVD)合成方法,这三种材料的尺寸已经扩展到三个数量级以上。许多新材料,如硼墨稀和Mxene,还没有实现横向尺寸大于100 μm。图1b表示在横向尺寸超过100 μm和厚度低于10 nm的二维材料。

图1. 二维材料的横向尺寸。(a)横向尺寸发展;(b)不同合成方法二维材料的横向尺寸;(c)单晶的横向尺寸。

II 大面积二维材料的合成方法

很大一部分研究致力于合成具有大横向尺寸的原子级厚度材料。各种不同的方法通常可以分为两类,一类是自上而下的技术,另一类是自下而上的技术。大部分自上而下的方法是剥离技术,包括液体剥离(LE)和机械剥离(ME)。自下而上的CVD方法仍是目前最有效的技术,其可实现工业生产并且操作相对简单。

TMDCs因其优异的电子和光学性能而有望成为下一代电子和光电子材料。CVD是研究最广泛的一类技术,在硫化之前沉积金属前体,最终可以得到厘米级原子厚度的均匀晶体NbSe2和PdSe2(图2)。

图2. CVD法制备大面积TMDCs。(a)CVD 法制备PdSe2的光学图像和相应的AFM高度轮廓图;(b)二维PdSe2晶圆大小的合成产品与普通硅衬底的光学图像;(c)拉曼强度图;(d)CVD法制备MoS2的光学图像;(e)单层MoS2的AFM图像;(f)高分辨透射图像。

除了CVD外,还有其他几种合成TMDCs的方法。最近报道的脉冲激光沉积(PLD)是可制备厚度精确控制且具有厘米大小尺寸的MoS2,为高质量二维MoS2厚度相关光响应的基础研究奠定了基础。同样,通过PLD方法制备的晶圆尺寸二维WSe2在厚度上得到精确控制并得到均匀的二维片层材料(图3)。在硫化后利用热和等离子体增强的ALD(PEALD)控制氧化物的成核和生长从而制备出大面积MoS2。Keller等人通过改变硫化温度和多步退火工艺来探索晶体质量优化(图4a-c)。通过在自上而下的金介质机械剥离(ME)方法,Javey等人分离出了单层TMDCs(图4d)。利用此方法,Velicky等人从块状晶体中剥离厘米级的单层膜,提高了片状物的尺寸和ME法大规模生产TMDCs的可行性(图4e-h)。

图3. PLD法制备大面积TMDCs。(a)PLD沉积WSe2的示意图;(b)WSe2薄膜的光学图像;(c) AFM图像。

图4. ALD,PLD 和 ME法制备大面积TMDCs。(a)二维MoS2的光学图像;(b)AFM图像;(c) MoS2薄膜厚度误差条形图;(d)金剥离过程示意图;(e-g)大尺度MoS2在7.5 nm金上暴露于空气后不同时间的光学图像;(h)单层和块体在不同时间下的柱状图。

III 缺陷形成和晶体质量

二维材料中存在多种低维缺陷可归纳为:(1)零维点缺陷包括空位、反位、取代杂质和吸附原子;(2) 一维缺陷包括晶界、孪晶边界、边缘和位错;(3) 二维缺陷包括孔洞、卷轴、皱纹和褶皱。这些低维缺陷严重影响器件的性能。单晶或具有低密度缺陷的晶体通常被定义为高质量。然而,缺陷提供了额外的特性来有效地设计二维材料的某些光学和电子特性,因此大量研究致力于二维材料合成过程中缺陷的控制。

通过ME法制备的高质量晶体二维材料具有固有的点缺陷,缺陷产生的可控性较差。分子束外延技术(MBE)提供了对形貌的精确控制,Loh等认为通过控制Au(111)衬底生长期间的通量比和衬底温度是控制硒化铌化学计量学的有效方法。CVD法可用于制备高度结晶的二维TMDCs,但具有本征缺陷。例如在CVD热还原/硫化生长过程中,TMDCs晶体结构中本征零维点缺陷如图5a-c所示。二维材料的光学、电子、磁性、化学、振动和热等多种性能受缺陷的影响。晶界和缺陷阻碍材料的电子性能,例如电子传输,因此二维材料的性能受到了其存在的严重影响。然而,有研究表明缺陷和低序晶体的存在可能会促进高效和新颖的电子和光电器件的发展。目前,经过十多年的广泛研究和合成优化,已经可以获得具有最小缺陷和晶界的大面积均匀二维材料。

图5. CVD法制备二维TMDCs过程中本征零维点缺陷。(a)环形暗场(ADF)图像;(b)二维WS2结构点缺陷的HRTEM图像;(c) 生长过程中二维 WS2的HRTEM图像。

IV 大面积合成二维半导体的电子和光电性能

大面积二维材料的一个重要的、有前景的光电子应用是透明的、导电的宽带隙半导体,这使大面积显示面板以及柔性和可拉伸的电子产品成为可能。当透明导电的宽带隙半导体(如ITO)的厚度减少时,光吸收光谱会降低,这表明其在太阳能电池板和智能手机中作为顶部触点的潜力会增强性能,从而提供更好的亮度并降低功耗。如图6a所示,8100个FET器件在单层MoS2内被制造出来,大面积打印的二维材料使微型化电子元件成为可能,并使更多的元件可组装于器件。如图6b所示,多元件逻辑器件是由大面积单分子层MoS2的异质结构制成的。如图6c, d和g所示,大面积的光电探测器具有良好的检测能力,显示出二维材料作为高效器件的发展前景。原子级厚度二维材料的大面积印刷能够制造多种电子设备,从而对设备进行更精确和更深入的统计分析。

图6. 大面积二维材料的光电子应用。(a)在大面积单层MoS2上制备8100个FET器件;(b)单层MoS2上集成大面积芯片的光学图像;(c)利用液态金属方法大规模合成了vdW氧化物异质结构;(d)合成单晶In2Se3柔性大面积宽带光电探测器;(e)液态金属法合成的GaS场效应晶体管阵列的光学图像;(f)PLD法合成大面积原子级厚度WSe2;(g)大面积合成单层WS2场效应晶体管阵列的光学图像。
作者简介

AliZavabeti 教授

本文通讯作者

南京航空航天大学 材料科学与技术学院

主要研究领域

高质量二维材料的可控制备与应用;铝基金属氧化物超高通量膜的低成本制备与应用
主要研究成果

近三年内, Ali教授以第一作者在 Science , Nature Communications ,Joumal of the American Chenucal sociely , Advanced Functional Matcrials上发表学术论文各一篇,并在 Nano Energy , Nano Letters , ACs Nano 等 Top期刊上合作发表署名论文20余篇。相关科研成果因极高的新颖性、创新性和实用性而获得多家媒体的报道。此外, Ali 博士曾于世界500强企业ABB公司工作 7 年,主持或参与多项重大工程项目,具有丰富的工程与产业化经验。

Email: ali.zavabeti@nuaa.edu.cn
撰稿:《纳微快报》编辑部

编辑:《纳微快报》编辑部

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