【研究背景】
化学替代是高精度制造中的关键方法之一。替代方法在半导体工业中的合金化、掺杂和形成异质结方面极其重要。目前，化学替代已经扩展到二维材料的掺杂和合金化领域，展现出推进原子精度制造方法的巨大潜力。这种方法促成了各种二维单层过渡金属二硫化物（TMDCs）之间横向异质结的合成，包括MoS2-MoSe2、MoS2-MoTe2和MoS2-MoSSe，为合成二维平面结构提供了途径。毋庸置疑，替代方法在开发二维原子尺度异质结和实现二维TMDCs及其他层状材料更多功能性方面具有巨大潜力。具体而言，原子替代为调控这些材料的电子、光学、机械和热学性质提供了多样化的手段，这一点已经在过去十年的众多研究中得到证实。
目前已经确定了两种主要的化学替代模式：表面直接替代模式和面内扩散替代模式。表面直接替代模式涉及通过离子注入、热退火和化学气相沉积等方法用外来元素替换原子。这种方法能够精确控制被替代原子的数量，实现从二维材料到二维合金，最终到其他二维材料的转变。此外，通过选择性地用不同元素或分子替换不同层中的原子，可以在TMDC材料中创建一种有趣的不对称人工结构，称为"Janus"结构。与表面直接替代不同，面内扩散模式从二维TMDCs的边缘或晶界（这些位置通常具有较低的替代势垒）开始，以扩散方式逐渐替换元素。这种方法是合成二维横向异质结的一种非常有效的方式，例如金属-半导体横向异质结如MoS2-MoTe2。此外，特定位点驱动的平面扩散可以用来合成独特的结构，如二维量子阱（由WS2和WSe2组成的交替量子阱结构）和纳米带（MoS2纳米带）。这为二维材料异质结的合成提供了更多途径，也为创造新颖结构提供了思路。然而，面内扩散模式的具体机理仍未得出定论，对其扩散界面仍缺乏系统研究。同时，如何实现高度可控的面内扩散方法仍然极具挑战性，因为这涉及化学环境的稳定控制、反应物蒸气的精确控制和高度可控的温度。例如，二维钨基硫属化合物中的可控硫化扩散尚未实现。
【成果介绍】
鉴于此，中南大学张正伟教授，何军教授，湖南大学段曦东教授合作发表了题为“Controllable Synthesis of WSe2–WS2 Lateral Heterostructures via Atomic Substitution”的工作在ACS Nano期刊上。该工作报道了一种利用硫蒸气的高度可控供给和精确的温度控制的化学替代方法，来合成单层内的高质量横向异质结。该合成使用极短的反应时间来减少化学和热损伤，且需要在约50 s内终止反应。在高温下，面内原子扩散在替代过程中占主导地位，扩散程度可以通过调节反应温度和持续时间来调控。环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）图像显示，横向异质结的界面在原子尺度上相对清晰，形成了没有扩展缺陷的完全相干的横向界面。位错核被困在转化区域中，在转化区域形成密集的位错群。该工作提供的方法为通过替代机制合成横向异质结提供了指导。
【图文导读】
图 1. WSe2向WS2的转化过程。(a) 从WSe2到WS2的硫化过程示意图。(b-e) WSe2向WS2转化的时间演化光学图像。硫化宽度随 (f) 750°C下反应时间和 (g) 固定15秒时不同反应温度的变化关系。 (h) WSe2-WS2横向异质结的AFM相图和 (i) 高度图。比例尺：(b-e) 50 μm和 (h, i) 10 μm。
图 2. WSe2-WS2异质界面的原子结构和应变分析。(a) WSe2-WS2异质结的低倍率ADF-STEM Z对比图像（750 °C, 5秒）。 (b) 单层WSe2-WS2异质结的Z对比图像。(c, d) 图 (b) 中红色虚线方框的放大ADF-STEM图像。(e, f) 图 (b) 中黄色虚线方框的放大ADF-STEM图像。(g, h) 分别从图 (e) 和 (f) 中黄色框选区域界面的线扫描。(i, j) 分别从图 (e) 和 (f) 中白色虚线方框得出的原子结构模型。(k) 垂直于界面方向的晶格常数变化图。(l) 位错模型示意图。比例尺：(a) 50 nm；(b) 5 nm；(c-f) 1 nm。
图 3. 应变场映射。通过GPA确定的图2b所示WSe2-WS2异质结中的 (a) εxx、(b) εyy、(c) εxy和 (d) 旋转图。
图 4. 转化WS2区域中的位错形成。(a) 位错核形成示意图。(b) WSe2-WS2异质结的ADF-STEM图像（750 °C，5秒）。(c) 图 (b) 中红色虚线方框的放大ADF-STEM图像和 (e, f) 相应的反快速傅里叶变换（IFFT）图像。(d) 图 (c) 中黄色虚线方框的放大ADF-STEM图像和 (g, h) 相应的IFFT图像。(i, j) 从图 (b) 中选取的x方向和y方向的应变分布。比例尺：(b) 5 nm和 (c, d) 1 nm。
图 5. 单层WSe2-WS2异质结的拉曼和PL特性。(a) 从插图中标记的1-3位置获得的拉曼光谱。 (b) WS2-WSe2异质结的拉曼映射图像。 (c) 从图 (d) 中标记的I-III位置收集的PL光谱。在不同波长下的WS2-WSe2异质结PL映射图像：(d) 634 nm；(e) 632 nm；(f) 628 nm。比例尺：(插图a, b , d-f) 5 μm。
【总结展望】
总之，本文成功地使用原子薄层扩散替换法合成了二维横向WS2-WSe2异质结。具体而言，本研究发现了一种有效的扩散机制，其中位错缺陷的运动模式具有启发性。生长得到的二维横向WS2-WSe2异质结表现出清晰且相对锐利的界面，没有扩展缺陷。这种可控的二维异质结制备方法可以促进纳米电子和自旋电子学中二维横向异质结的基础物理研究和器件应用。
【文献信息】
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