华师团队制备新型金属硫族化合物可用于电子及光电子器件等领域

凭借上述事情他们得到了 2010 年诺贝尔物理学奖。

之后，全天下范围内掀起了研究二维材料的热潮。
十多年来，科学家们陆续带来了各种新惊喜。
著名石墨烯专家、北京大学刘忠范院士也曾提出“制备决定未来”的不雅观点。

不过，二维材料的诸多高端运用，必须得基于高质量的薄膜材料。
因此，在过去十几年里，单晶二维材料的制备一贯是该领域的主要研究方向之一。

一样平常来说，实现二维单晶成长有两种方法：1，单核终年夜，即掌握材料从一个核逐渐地终年夜，终极长成一个大的单晶；2，外延成长，在成长过程中会有大量的晶核形成，只要确保所有晶畴的取向是相同的，那么当这些晶畴相遇时，它们就可以拼接成单晶薄膜。

由于第二种制备方法效率高、适用性广、可控性强、与工业生产相容性更好，越来越多的人认为外延成长，将成为大尺寸单晶薄膜的工业化制备方案。

但是在实际成长中，依旧存在一个待办理的问题。
在目前理论预测的 1800 多种二维材料中，超过 99.5% 的材料具有非中央对称的晶体构造。

由于这种构造的存在，大部分二维材料在衬底上的成长，并不是单一取向的，而是存在至少两个相差 180 的取向。
在相称长的一段韶光里，学界都在探求将两个方向合二为一的办法。

2019 年，北京大学刘开辉教授课题组首次提出，通过引入表面的原子级台阶可以冲破这种对称性，借此实现了分米级非中央对称的氮化硼单晶薄膜的制备。

2021 年，同样是利用表面台阶，南京大学团队、以及北京大学团队分别独立宣布了 2 英寸非中央反演对称的过渡金属硫族化合物薄膜的制备。
至此，范例二维单晶材料的制备得以基本实现。

但是，目前这类材料的制备依然非常困难，不仅条件哀求极高，而且此前不同实验室宣布的结果存在较大的不一致性，在相同衬底上涌现了互不相同、乃至相互抵牾的结果。
这解释，决定这类材料单一取向的最关键成分并没有被找到。

到底该如何制备晶圆级二维单晶材料？

针对这一问题，华南师范大学徐小志教授和北京大学刘开辉教授、深圳理工大学丁峰教授开展了一项互助，并于近日研发出掌握晶畴成核韶光以及衬底表面台阶形成韶光的方法，借此实现非中央对称二维单晶过渡金属硫族化合物的通用制备，从而在低维单晶材料成长上取得了主要进展。

通过上述方法，他们在不同类型的衬底上实现了 MoS2 晶畴的单一取向成长，并证明该方法也能用于其它过渡金属硫族化合物的外延制备，比如 WS2、NbS2、MoSe2、WSe2 和 NbSe2 等。

理论打算结果显示，衬底上未成熟的台阶，可以极大促进晶畴在台阶边缘附近成核，也能匆匆成二维晶畴的单一取向成长，而且这种成长不受台阶方向的影响。

此外，他们创造之前不同团队做同一实验、却涌现结果不一致的关键缘故原由在于，表面台阶是否在成长过程中起到了掌握浸染。

图 | 徐小志（来源：徐小志）

打个比方，我们常常见到的楼梯既有边缘、也有脚踏的平面。
如果材料是在台阶边缘成核，由于上台阶和下台阶能量的不同，会导致材料都往一个方向成长；反之，如果台阶是在平面上成核的，那和没有台阶的空想表面是一样的，就没有办法中兴到调节浸染了。

在早前的研究中，有些成长条件刚好知足了材料在台阶边缘成核，有些成核没有完备在台阶边缘发生，因此涌现了互不相同乃至是相互抵牾的成长结果。

找到缘故原由之后，徐小志等人设计出多种实验方案，力争让材料的成核都发生在台阶边缘。
终极，他们找到一种通过韶光维度进行调控的方法，可以让材料成核刚好发生在表面台阶形成的过程中。

这时的台阶边缘存在很多氧空位，化学活性较高。
因此，材料更加方向于在这些位置成核，这样一来就办理了材料成核位置的问题。

同时，这种设计方案还可以担保绝大部分成核发生在台阶边缘处，从而大大降落对付温度、气压、衬底种类、台阶方向、以及材料种类的哀求。

（来源：Nature Communications）

概括来说，本次事情揭示了在不同衬底上成长各种非中央对称二维单晶的通用机制，并为干系的潜在运用铺平了道路。

评审专家表示，本次事情为制备晶圆级二维单晶材料带来了巨大希望，增强了学界对付过渡金属硫族化合物单晶材料制备的机理理解、以及实验的可重复性，是业内一项重大进展。
未来，有望在柔性显示、电子器件、光电子器件等领域发挥浸染。

近日，干系论文以《非中央对称二维单晶金属二硫化物的通用外延》（Universal epitaxy of non-centrosymmetric two-dimensional single-crystal metal dichalcogenides）为题发在 Nature Communications 上[1]。

图 | 干系论文（来源：Nature Communications）

郑培铭、魏文娅、梁智华和秦彪是共同一作，陈俊汀担当共同作者，深圳理工大学丁峰教授、北京大学刘开辉教授、以及华南师范大学徐小志教授担当共同通讯作者。

论文揭橥之后，还被 Nature Communications 的编辑选为热点文章进行推举（Editor’s Highlight）。
这是徐小志到华师建组之后辅导学生揭橥的第一篇 Nature子刊论文，能够顺利揭橥也给他注入了莫大的信心。

（来源：Nature Communications）

将在原子尺度上对材料的性能进行表征和调控

而这篇论文的出身，还要从徐小志课题组的上一篇论文提及。
他说：“关于本次论文的初步结果，是在更早一篇论文的投稿过程中产生的。
当时，我们正在给上一篇论文补数据，学生见告我在看到了有趣的实验征象。
”

在该类实验中，研究职员在选用蓝宝石作为成长衬底时，常日都会提前把蓝宝石表面进行永劫光退火，以便来撤除表面杂质和毛病，这也是行业内的惯用流程。

“但是学生见告我，他有时创造同一个炉子里长的样品，分别利用退火后的衬底和直接买到的衬底时，有着非常大的差异。
在原始衬底上成长时，可以看到取向同等的三角形。
我知道这个结果后，立时安排学生进行重复实验，看看是否是一种有时征象。
”徐小志说。

经由这逻辑学生的多次重复，课题组确定了这一实验结果的可靠性，也让徐小志意识到他们可能创造了一个故意思的实验结果。

之后，徐小志不断给学生增加实验难度，让他们在不同晶面的蓝宝石、氧化镁和氧化钛衬底上都逐个进行考试测验。
之后，又通过和北京大学刘开辉教授课题组互助，将这种成长拓展到多种二维材料，从而提高制备方法的通用性。

（来源：Nature Communications）

末了，徐小志团队又和深圳理工大学丁峰教授互助，针对个中的成长机制进行探索验证。
“丁老师敏锐地提出了蓝宝石上氧空位的思路，并由我们组的魏文娅博士进行第一性事理打算。
终极，在实验和理论上得到了很好的相互验证。
”徐小志说。

只管是由于有时创造的实验征象开展了本次研究，但是徐小志最早对付类似课题的方案，要从他刚入职华师时提及。

当时，担当本次论文共同一作和共同作者的郑培铭和陈俊汀还是本科生，彼时他们俩正在做毕业设计。

有一次，即将成立独立实验室的徐小志，和他们俩讲起了课题组方案，并提到了和本次成果类似的课题。

那天，徐小志在 PPT 里把石墨烯、氮化硼和二硫化钼几个大字放在一起，在石墨烯和氮化硼下面打上对号，而在二硫化钼大字下方则留下一个大大的问号。

据徐小志回顾：“当时，我对他们说对付一个电子器件而言，绝缘体、导体和半导体材料都不能缺。
二维材料如果想运用在半导体器件领域里，那么道理也是一样的。
现在我们已经有了导体材料石墨烯单晶、绝缘体材料氮化硼单晶，但是半导体材料过渡金属硫族化合物质料的制备还没有被占领，这既是寻衅也是机会。
”

对付这次发言，时至今日两位学生依旧影象深刻。
徐小志说：“也正是那次谈天武断了他们读研的心志，也武断了研究金属硫族化合物质料的决心，他们俩后来也都成了我的学生。
”

在本次研究中，这两位学生也都做出了关键贡献。
说到这里徐小志表示：“现在想想，培养学生的兴趣真的非常主要，一个有趣的课题乃至会改变他们的职业选择和人生轨迹。
”

而在制备出本次材料之后，徐小志打算进一步研究材料性能的调控。
他说：“实验室很快会到货一套扫描隧道显微镜系统，基于这个别系我们希望能在原子尺度上，对材料的性能进行更加精准的表征和调控，看看是否能创造更多故意思的物理征象。
”

参考资料：

1.Zheng, P., Wei, W., Liang, Z. et al. Universal epitaxy of non-centrosymmetric two-dimensional single-crystal metal dichalcogenides. Nat Commun 14, 592 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36286-6