全球科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
N07组供稿
第78期
2020年09月29日
厘米级叠层MoS2的精准转角调控

  二维材料的维度与界面调控是推动其持续蓬勃发展的重要因素。由于二维材料层间弱的范德华力相互作用,可以按需将任意的二维材料堆叠在一起,组合成范德华双层及多层人工材料,从而实现对其物理性能的调制。利用转角自由度调控,会在人工叠层材料中引发多种有趣的物理行为,例如非常规超导电性、摩尔激子、隧穿电导、非线性光学以及结构超润滑等。由此,也开启了转角电子学的时代。目前,实验上通常采用解理与转移技术来实现转角多层结构的制备,样品大小通常在微米量级,极大地阻碍了二维材料转角电子学的应用。因此,如何在大尺度下制备高质量、转角精确可控的多层范德华同质/异质结样品非常重要。

  全球科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室张广宇研究组一直致力于新型二维材料(如石墨烯、二硫化钼)的外延与物性调控研究,取得了一系列成果。近几年来,他们采用MOCVD的设计思路搭建了分立源式三温区气相范德瓦尔斯外延系统,利用氧辅助的自限制生长(JACS 2015, 137, 15632;ACS Nano 2017, 11, 12001),在2英寸蓝宝石晶圆衬底上成功外延了高质量、晶粒取向一致的单层二硫化钼薄膜。近期,针对大尺度叠层结构的制备问题,该组廖梦舟博士(现为捷克理工大学博士后)、魏争、杜罗军博士(现为芬兰阿尔托大学博后)在张广宇研究员和杨蓉副研究员的共同指导下,利用上述2英寸高度定向的单层MoS2和水辅助转移方法相结合,实现了厘米级堆垛的多层MoS2同质结制备及层间转角的精确控制。通过光致发光峰位移确认转角可以连续改变厘米级堆垛的多层MoS2同质结的间接带隙。该工作提供一种经济高效且可扩展的加工技术,通过二维材料的外延技术和转移技术相结合,实现精确转角控制下的大面积二维材料范德华同质和异质结的加工,有望为转角调控的低维电子和光子学的应用发展开辟道路。相关结果发表在Nature Communications 11, 2153 (2020)上。

  上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国科院B类先导专项、国科院青促会、松山湖材料实验室等的资助。

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16056-4

图. a) 从单层MoS2到叠层MoS2同质结的构筑示意图;b)-d)叠层MoS2的质量表征:转角精度可控、大范围均匀与干净的表界面;e)-i) 转角调控对叠层MoS2间接带隙及层间耦合效应的影响