二维材料：晶界缺陷诱导纳米晶生长及光电性能调控
二维材料，尤其是过渡金属硫族化合物，在新一代电子器件及光电子器件等领域具有光明的应用前景，成为了物理、材料和化学等领域的研究热点。二维材料的大规模器件应用依赖于大面积的合成方法。目前，化学气相沉积已经可以实现晶圆尺度的合成，极大地推动了二维材料的实际应用。一般而言，化学气相沉积合成的二维材料是多晶的，单个晶畴大小在几百纳米到几百微米之间。由于晶畴的大小、形貌和缺陷等对二维材料的性质有极大地影响，研究人员采用了各种各样的方法来观测晶畴的大小、形貌及晶格缺陷，如最常用的透射电子显微方法、非线性光学成像法、表面氧化法等等。为了对二维材料的光电性能进行调控，构建基于二维材料的半导体异质结是较广泛的方法，成为了近年来的研究热点。常用的构建基于二维材料半导体异质结的方法是化学气相沉积法。该方法可以获得高质量的异质结，异质结的光电性能可以得到有效地调控。目前，最为常见的二维材料的异质结为范德瓦尔斯外延异质结，具有上下叠层结构。已有的研究表明，在二维材料的晶界处存在大量的缺陷，而这些缺陷是潜在的成核中心。因此以晶界处的缺陷为成核中心，生长异质结材料是可能的，可以得到不同于上下叠层结构的异质结，并且有可能通过这种特殊的异质结结构观测二维材料晶畴的形貌和大小。
香港城市大学何颂贤（Johnny C. Ho）课题组从这一特性出发，采用化学气相沉积方法，以化学气相沉积合成的单层硫化钨（WS2）薄膜为模板，沉积硫化镉（CdS）纳米晶，发现CdS纳米晶倾向于沉积在单层WS2薄膜的晶界处，使得WS2薄膜的晶界直接展现出来，可以用扫描电子显微镜和光学显微镜观测。分析表明，由于晶界处存在大量缺陷，在以WS2薄膜为生长模板时，CdS优先在晶界处成核生长，形成纳米晶，最终形成CdS纳米晶链，从而使单层WS2薄膜的晶畴形貌得以显示出来。由于CdS纳米晶位于晶界处，且WS2与CdS构成II型半导体异质结，对WS2中载流子输运形成散射，使得WS2-CdS异质结的载流子迁移率有所下降。同时，由于II型半导体异质结结构，光生电子-空穴对可以有效地分离，电子注入到WS2中，空穴停留在CdS纳米晶，使得WS2-CdS异质结的光电探测性能得到极大地提升。本方法不仅可以通过简单的方法实现对二维材料晶畴的观测，还可以通过纳米晶的生长，调控二维材料的光电性能，在先进光电子器件中具有巨大的应用潜力。
相关论文在线发表在Small Methods (DOI:10.1002/smtd.201800245)上。
文章：Changyong Lan, Dapan Li, Ziyao Zhou, SenPo Yip, Heng Zhang, Lei Shu, Renjie Wei, Ruoting Dong, Johnny C. Ho. Direct Visualizationof Grain Boundaries in 2D Monolayer WS2 via Induced Growth of CdS Nanoparticle Chains. Small Methods. 2018, 1800245.
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