Nano Res.│控制元素计量比——提升过渡金属硫族化合物环境稳定性的关键因素

背景介绍

多种具有层状结构的二维过渡金属硫族化合物（transition metal chalcogenides, TMC），由于其丰富多变的物理性质，而受到广泛关注与研究，并在光电子、新能源、生物传感等多领域显示出巨大的应用前景。进行物性研究和应用探索的前提，则是实现具有环境稳定性的二维TMCs材料的高质量、大面积可控制备。然而，现有的制备生长方式，无论是采用胶带剥离法，还是采用传统的化学气相沉积法，或者分子束外延生长，其生长出来的二维材料，很多都存在着在大气环境下的不稳定性问题，而这一缺憾也极大地阻碍了对此二维材料的后续深入的物性研究和应用探索。

成果简介

为了解决二维TMs的环境稳定性难题，南京大学高力波教授课题组，在2019年发展出两步气相沉积法可控生长出大气环境下稳定存在的二维过渡金属硒化物（以超导体NbSe₂为例）（Lin H. H. et al. Nat. Mater. 18, 602-607, 2019）。在本工作中，他们将此两步法推广至更多二维TMC材料（MoS₂，WS₂，MoSe₂，PtSe₂，PtTe₂）的可控生长上；同时，还利用两步法实现了这些二维材料的不同硫化、硒化和碲化程度，从而获得多种具有不同元素配比的TMC材料。通过对这些样品进行长达四个月的结构和物性的持续表征（拉曼光谱、荧光光谱、XPS、球差电镜、变温电阻等），作者进一步证实了二维TMC材料的环境稳定性与其精确化学计量比之间的关系。

作者发现，样品的不稳定程度与样品的初始元素比具有一定的关系：对于MX₂材料，越接近化学计量比（X/M=2.00），样品稳定性越高；越偏离化学计量比（X/M>2.00或者X/M<2.00），样品不稳定性越高，即环境稳定性越差。此结论对于研究二维TMC材料具有一定的普适性，为抑制单层TMC材料的变质退化研究提供新视角，也将促进大气环境下稳定的电子和光电子器件的研究应用，或许这也可以为垂直异质结的直接叠层制备提供了可行性。

作者简介

论文第一作者为南京大学物理学院博士生周振佳，东南大学电子科学与工程学院徐涛博士负责本工作中的所有透射电子显微镜表征，为本论文的共同第一作者。

高力波，南京大学物理学院教授，一直致力于石墨烯和其他二维材料的可控生长、结构与物性研究，已发表包括Nature、Nature Materials、Nature Communications等在内的40多篇论文，论文总计被引用超过9000余次。先后承担和参与国家高层次人才项目、基金委面上项目、霍英东教育基金、科技部重点专项、江苏省“杰青”项目等多个科研项目。

课题组网页：http://cvd.nju.edu.cn

孙立涛，东南大学特聘教授。孙教授致力于在透射电镜中构建纳米实验室用于原位研究10纳米以下材料在外场作用下的表/界面结构演变过程，这些外场包括力场、热场、电场、光场及气/液环境等。

课题组网站：http://www.seu-npc.com/npc.htm

文章信息

Zhenjia Zhou, Tao Xu, Chenxi Zhang, Shisheng Li, Jie Xu, Litao Sun^* & Libo Gao^*. Enhancing stability by tuning element ratio in 2D transition metal chalcogenides. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-020-3035-y.

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