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ACS Nano:华人科学家用改进CVD制备出MoS2“雪花”
2017-12-21 浏览量:933


在二维材料中,过渡金属二硫属化合物(TMDCs)因为具有独特的物理和化学性质吸引了广泛关注。例如TMDCs单层具有直接带隙,边缘有活性位点,且具有电子自旋和能谷效应,非常适合用于光伏电池、气体传感器、非线性光电器件、谷基电子器件以及催化析氢反应等应用。

经过众多科研工作者的努力,人们发现TMDCs材料的性能与其形态结晶度晶体取向边缘结构晶体缺陷等有关通过控制这种材料的形貌可以高效对其应用开展研究

虽然目前单层MoS2的生长方法已经较为成熟通过化学气相沉积法可以实现层数、生长方向、生长位置的控制,但是对其形貌控制的研究却不多见。

近日,中国南方科技大学的程春博士团队联合香港科技大学的王宁教授团队共同发表了一项研究成果,他们介绍了一种改进的CVD法,通过胶带对基底进行预处理,实现了MoS2单层树枝状晶体的可控生长,生成的MoS2具有前所未见的 “雪花”状分形结构。相关研究成果发表在近期的ACS Nano期刊上(“Twin Defect Derived Growth of Atomically Thin MoS2 Dendrites”)

这种改进的CVD法很简单,研究人员首先将胶带贴在SiO2/Si基底上并撕开部分有机胶会留在基底表面随后在600℃下使用常压化学气相沉积法生长MoS2晶体。生成的MoS2纳米片表现出六方对称性,并且可以适应分形,在六个对称骨架上生长出60°夹角的侧枝,形成雪花状结构。

 

改进CVD法生长雪花状MoS2晶体过程的示意图(© ACS Nano)

研究人员进一步的研究发现CVD过程中S:Mo的浓度比对MoS2纳米片的最终形态有较大影响。此外,随着MoO3前驱体与沉积面积之间的距离的增加,MoS2纳米片页会发生从三角形到六角形的星形规则形状的转变。

 

S:Mo蒸气浓度比对形状复杂度的影响(© ACS Nano)

对这种特殊的生长机制研究人员认为随着生长速率的增加,S:Mo蒸气比的增加会导致形状复杂度的连续减小,并且使生长过程从热力学状态转变为动力学状态。然而,当S:Mo比率达到非常高的水平时,较低的Mo浓度将使生长切换回到热力学控制,从而由于抑制了侧枝生长而降低了晶体形状的复杂性。

为了表征合成的MoS2纳米片晶体质量和光学性质,研究人员进行了拉曼光谱、原子力显微镜以及光致发光光谱测试。结果表明,由于在循环孪生区域中积累的硫空位,使得光致发光发生局部增强,也就是说该纳米片的形状决定了其光学性质。

在这项创造性的研究工作中,研究人员仅利用胶带预处理基底就使得常规的CVD法可以制备出雪花状分形纳米片,令人感叹材料的神奇。同时研究人员扎实的表征和测试工作,极大程度的丰富了对TMDCs双晶缺陷衍生晶体生长机制的理解,同时还扩展了其在2D纳米材料中的应用潜力,提供了在电化学和光电子领域应用时可靠的形貌控制手段和方案。

 

来源ACS Nano

文献链接:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b07693