npj: 单层WSe2的超快生长—扭结成核和扭结传播

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二维（2D）材料，如石墨烯、硼化物、磷芴、过渡金属二硫化物（TMD），由于其迷人的晶格结构和电子特性而引起人们极大的关注。WSe₂是TMD系列的成员，是一种半导体材料，具有相当大的带隙、高电荷迁移率、高开关比，以及可调谐的电子和光学特性，是一种很有前景的半导体2D材料，适用于超快电子和光电子学领域。最近有人通过化学气相沉积在金基板上实现了紧凑三角形形态的大面积、高质量WSe₂畴的超快生长。但其超快生长的机制仍有待阐释。

来自新加坡科技局A-STAR的Yong-Wei Zhang 领导的团队，通过对生长过程作kMC模拟和第一性原理计算分析，提出了引起紧凑三角形畴超快速增长的两种可能途径，即：

路径1：快速边缘附着和超快边缘扩散，以及

路径2：快速扭结成核和沿边缘的超快扭结传播。

基于DFT计算、与实验生长速率比较、与实验结果的形态比较，发现沿着畴边缘扩散势垒很高，因而排除了路径1。而kMC模拟结果表明，路径2才是超快速生长的潜在机制，因为模拟的畴形态、畴取向和生长速率都与沉积通量和温度在宽范围内的实验结果一致，而且扭结成核显然是限制因素。因此，可以通过调控扭结成核速率来进一步调节生长速率，扭结成核速率又通过来自蒸汽的原子沉积或通过基板上的扩散原子的附着而被调控。此外，还可以通过控制沉积物的相对优势来调节畴取向。他们的研究表明，快速扭结成核和超快扭结传播是造成WSe₂结构畴超快生长的潜在机制。快速扭结成核是因边缘附着的低能垒。超快扭结传播是由于吸附原子表面扩散的能量势垒更低，或从蒸汽直接沉积到生长前沿。该机制有可能扩展到其他2D材料。例如，如果基底能够极大地增强吸附原子的表面扩散，可能促进它们从蒸气中直接沉积到生长前沿，从而实现其它TMD的超快速生长。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 28 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Origin of ultrafast growth of monolayer WSe₂ via chemical vapor deposition

Shuai Chen, Junfeng Gao, Bharathi M. Srinivasan, Gang Zhang, Viacheslav Sorkin, Ramanarayan Hariharaputran & Yong-Wei Zhang 

The ultrafast growth of large-area, high-quality WSe₂ domains with a compact triangular morphology has recently been achieved on a gold substrate via chemical vapor deposition. However, the underlying mechanism responsible for ultrafast growth remains elusive. Here, we first analyze growth processes and identify two possible pathways that might achieve ultrafast growth: Path 1, fast edge attachment and ultrafast edge diffusion; Path 2, fast kink nucleation and ultrafast kink propagation. We perform kinetic Monte Carlo simulations and first-principles calculations to assess the viability of these two paths, finding that Path 1 is not viable due to the high edge diffusion barrier calculated from first-principles calculations. Remarkably, Path 2 reproduces all the experimental growth features (domain morphology, domain orientation, and growth rate), and the associated energetic data are consistent with first-principles calculations. The present work unveils the underlying mechanism for the ultrafast growth of WSe₂, and may provide a new route for the ultrafast growth of other two-dimensional materials.

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