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二维横向复杂结构——段锡东、段向峰

段喜东、段向峰

二维层状材料如garphene、MoS2和WSe2作为继Si之后的半导体近年来引起了人们的广泛关注，并成为凝聚态物理和现代电子学和光电子学的重要材料平台。然而迄今为止的研究普遍依赖于机械剥离薄片，其总是局限于简单的二维材料，特别是二维横向复杂结构无法通过剥离策略制备。与传统的半导体技术非常相似，复杂的结构（例如控制二维半导体材料的成分和电子结构的空间分布）对于构建所有现代电子和光电器件（包括晶体管、pn二极管、光伏/光电检测器件）至关重要, 发光二极管和激光二极管。而许多物理现象只能出现在更复杂的结构中。为了充分挖掘这类新型材料的潜力，需要开发合理的二维横向复杂结构的合成策略，如横向异质结构、多重异质结构、超晶格、量子阱等，具有相对较小的晶格失配（~4 MoS2和MoSe2或WS2和WSe2之间，可以通过横向外延工艺产生相干的MoS2???MoSe2和WS2???WSe2异质结构（图1a）。我们的研究表明，简单的顺序生长通常无法产生所需的异质结构，因为在第一次生长终止并暴露于环境条件后，边缘生长前沿很容易被钝化。为了保留新鲜感，未钝化的边缘生长前沿对于连续横向外延生长很重要。为此，我们设计了一种热CVD工艺，可以原位切换气相反应物，从而实现单层或几层TMD横向异质结构的横向外延生长。我们使用这种技术来实现成分调制的MoS2的生长???
 MoSe2 和 WS2???WSe2 横向异质结构。从图1b、c、d、e中我们可以清楚地看到WS2???WSe2横向异质结构的形成。具有p型和n型特性的WS2…WSe2横向异质结构还可以让我们构建许多其他功能器件，例如CMOS反相器。图1g是利用WS2→WSe2横向异质结构构建的反演的光学图像以及输出→输入和电压增益的曲线。电压增益高达24。在二维横向异质结构的典型顺序生长过程中，顺序生长步骤之间的温度波动期间的过度热降解或不受控制的成核是可靠形成单层异质结构或其他横向复杂结构的关键障碍。我们设计了改进的 CVD 系统。在连续生长步骤之间的温度波动期间，我们使用从衬底到源的逆流。仅在精确的生长温度下应用来自化学蒸气源的正向流。通过这种反向流动，现有的单层材料不会在温​​度升高和降低的步骤中暴露于高温和化学蒸气源，以最小化热降解并消除不受控制的均匀成核。由于每个步骤都具有高度的可控性，因此在多个连续生长步骤后可以很好地保持单层异质结构的完整性和质量。我们最初使用我们的方法来一般合成各种二维晶体异质结构。我们还生长了更复杂的成分调制超晶格或多异质结构，在生长过程中，周期数和重复间隔可以很容易地改变。HADDF-STEM 对横向异质结构和多重异质结构原子结构的分析表明，可以清晰地观察到原子尖锐的界面。