中南大学ACS Nano: 基于原子取代策略形成WSe2-WS2横向异质结

学术 2024-11-01 12:56 浙江

▲共同第一作者：张顺辉、刘航

通讯作者：张正伟

通讯单位：中南大学

论文DOI：10.1021/acsnano.4c06597 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

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近日，中南大学物理学院张正伟教授展示了在高温短时间内使用硫原子交换合成途径，将单层WSe₂合成具有相对尖锐界面的单层WSe₂-WS₂异质结。通过拉曼光谱、光致发光（PL）光谱、电子显微镜和器件表征研究了横向异质结和取代过程，揭示了应变诱导转变的可能机制。

背景介绍

在半导体工业中，取代方法在合金化、掺杂和产生异质结方面非常有用。目前，化学取代已扩展到二维（2D）材料的掺杂和合金化，显示出开发原子级精度制造方法的巨大潜力。已经确定了两种主要的化学取代模式：表面直接取代模式和面内扩散取代模式。表面直接取代模式包括通过离子注入、热退火、和化学气相沉积等用外来元素取代原子的方法。这种方法可以精确控制取代原子的数量，允许从2D材料发展到2D合金，最终发展到其他2D材料。与表面的直接取代不同，面内扩散模式从材料的边缘或晶界(这些位置通常具有较低的取代势垒)开始，并以类似扩散的方式逐渐取代元素。

研究出发点

由特定位置驱动的平面扩散可以实现独特的结构，如2D量子阱(如：由WS₂和WSe₂组成的交替量子阱结构)和纳米带。毫无疑问，这为2D材料中异质结的合成提供了更多的方法，也为我们创造新的结构提供了思路。然而，面内扩散模式的具体机制没有定论，仍然缺乏对其扩散界面的系统研究。同时，由于涉及到化学环境的稳定控制、反应物蒸汽的精确控制和高度可控的温度等问题，如何实现高度可控的面内扩散方法仍然极具挑战性。例如，在2D钨基硫族化物中的可控硫化扩散尚未实现。

图文解析

图1. WSe₂到WS₂的转换过程以及原子力显微镜表征。

研究人员报道了利用高度可控的硫蒸汽进料和精确的温度控制，在单层内合成高质量横向异质结的受控化学取代方法。首先，通过典型的化学气相沉积(CVD)工艺在SiO₂/Si衬底上生长WSe₂单晶。随后，通过引入90% Ar和10% H₂的混合物，在高温（700 ~ 900℃）下将单层WSe₂暴露在充足的S气氛中。硫化优先发生在晶体边缘，并向中心区域移动，从而形成WS₂ - WSe₂横向异质结构。最后，经过足够的时间，实现从单层WSe₂到WS₂的完全转换。

图2. WSe2 - WS2异质界面的原子结构和应变分析。

ADF-STEM图像（图2a、b）显示了WSe₂ - WS₂是完全相干的，表明取代是均匀的扩散过程。由于WSe₂晶格常数比WS₂大~ 4%，在界面周围会形成位错核以释放晶格应变。从图2g、h中可以观察到，WS_xSe_(2-x)的合金结构被限制在界面的1-2个晶胞内，表明硫原子取代方法实现了相对尖锐的横向异质结界面。界面两侧的晶格常数变化（如图2k所示）证实了两侧存在应变，这将为硫化提供有利条件，并增强界面区域的反应活性。

图3. 应变分析图。

为了阐明界面周围的位错和应变分布，研究人员以WSe₂晶格参数为参考，将几何相位分析（GPA）应用于图2b所示的ADF-STEM图像，如图3所示。WSe₂和WS₂在x轴（图3a）和y轴（图3b）上的应变分布存在显著差异，这主要是由于晶格常数差异导致的。从应变图中（图3c）可以清楚地看到界面附近的拉伸应变和压缩应变，从应变角度证实了界面附近的WS₂和WSe₂晶格发生了畸变。

图4. 在转化的WS2区域形成位错示意图。

在大多数的横向异质结研究中，界面处由于晶格失配而产生位错核。但通过原子取代方法合成的横向异质结中，研究人员不仅观察到界面处的位错核，在转化区（WS₂）中也观察到大量的位错核(图4a、b)。这导致WS₂区域出现明显的局部晶格畸变（四个位错核左侧的WS₂结构比右侧稍微倾斜）。此外，还观察到水平方向的位错核能够诱导位错攀移，驱动量子阱的生长(图4b)。x轴应变图(图4i)证明WS₂量子阱具有与WSe₂相同的晶格间距，表明WS₂量子阱在x方向具有高且均匀的拉伸应变以适应WSe₂。这种量子阱结构为无失配的超窄横向异质结的形成奠定了基础。

图5. 单层WSe2-WS2异质结构的拉曼和PL特性。

研究人员利用拉曼和PL光谱证实了WSe₂被成功转化为WS₂。有趣的是，由于界面附近存在位错缺陷以及应变，界面附近WS₂的PL呈现轻微的红移，远小于外延合成的异质结。这表明大量位错实际上可能会减轻晶体中晶格失配引起的应变效应。这种差异可能对2D横向异质结构的性质，包括界面电子传递和结构稳定性产生深远的影响。

总结与展望

该团队成功地利用原子扩散替代技术合成了2D横向WSe₂ - WS₂异质结构。生长的WSe₂ - WS₂横向异质结构界面干净，相对尖锐，没有扩展缺陷。这种制造2D异质结构的可控方法可以促进2D横向异质结在纳米电子学和自旋电子学中的基础物理研究和器件应用。

相关成果以“Controllable Synthesis of WSe2-WS2 Lateral Heterostructures Via Atomic Substitution”为题发表在ACS Nano上。本工作第一作者为中南大学博士生张顺辉、刘航，中南大学物理学院张正伟教授为本文的通讯作者。

课题组介绍

张正伟，中南大学物理学院特聘教授。国家自然科学基金青年项目，中南大学特聘教授启动项目，湖南省自然科学优秀青年基金，长沙市自然科学基金项目负责人。在Science、Nature Nanotech.、 ACS nano、Natl. Sci. Rev.等国际知名期刊上发表学术论文三十余篇，研究工作多次被相关媒体作为亮点报导，研究成果获得“2017年中国电子科技十大进展”、“中国材料研究学会一等奖”等荣誉。

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课题组网站：

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