近年来，对各类层状材料的研究日趋火热，这源自于2004年石墨烯材料的成功制备以及二维层状材料较块体材料所不具备的新颖特性和尚待发掘的无限应用前景。石墨烯作为最早被开发的层状二维材料，由于是极佳的导体，缺少带隙，因此很大程度限制了其在半导体器件和数字电子领域的应用。然而，具有层状结构的过渡金属硫化物(TMDs)，在二维形态下会显现出直接带隙，所以极大填补了在半导体工业中难以应用石墨烯材料的空白。

    二硫化钼MoS₂作为TMDs家族中的重要成员已经被广泛研究，尤其运用化学气相沉积法(CVD)制备MoS₂是当前最为常用的工艺之一。然而，世界上各实验室所制备的二维MoS₂薄膜在形态和性能上存在较大差异、缺少重复性，并且对MoS₂在CVD过程中的生长机理缺乏认识，因此无法进一步有效设定MoS₂和其他TMDs二维材料生长的工艺参数。基于以上考虑，如何提高CVD工艺的可靠性以及对MoS₂在此工艺下成核和生长机理的探索是一个急待研究的课题。 

    近日，浙江大学高分子科学与工程学系、硅材料国家重点实验室陈红征教授团队的徐明生教授研究小组在二维硫化钼化学气相沉积(CVD)生长方面有新的发现，相关工作“Elucidation of Zero-Dimensional to Two-DimensionalGrowth Transition in MoS₂ Chemical Vapor Deposition Synthesis”发表在10月24日的《Advanced Materials Interfaces》上。

    据报道，他们在衬底材料(硅、蓝宝石、石英)表面引入MoO₃颗粒作为钼源，并且发现MoS₂三角形微片的生长主要开始于MoO₃颗粒的边缘区域，这是因为较低的表面能更有利于材料发生结晶成核。从零维MoO₃颗粒演变为二维层状MoS₂的过程可以简化为一个两步的生长模式：首先MoO₃被硫还原形成挥发性中间产物MoO_3-x(0<x<3)；MoO_3-x经过气相输运到达理想的成核位置并进一步被硫蒸汽还原生成MoS₂。类似的生长机理同样适用于其他TMDs二维材料的CVD合成，例如WS₂、MoSe₂和WSe₂等。

    徐明生教授的研究组用多种表征手段对以上生长机理进行了进一步的阐释。他们利用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观测到同一衬底表面MoS₂生长初始阶段形成的三角形微片的不同位置分布情况，这源于最初在衬底表面MoO₃粉末颗粒作为成核中心的随机分布密度；而MoS2微片的不同尺度分布情况，是由于在微片附近区域的前驱物蒸气分压不同而造成的。进一步的观察发现，MoO₃成核中心永远位于MoS₂微片的几何中心，并且也是第二层MoS₂开始生长的起点。

图示：(a)MoS2微片的光学显微成像；(b)微片不同位置的拉曼光谱；(c, d)E12g和A1g模式吸收强度的拉曼映射图像

    用拉曼光谱法得到的谱图可以很好地说明这一结论：通过比较微片中心位置和其他位置的拉曼谱图，尤其是Mo-S平面内E¹_2g伸缩振动模式和平面外A_1g摆动模式的吸收峰在两个检测位置的吸收频率差异，可以表明不同检测点的单层和多层形态。而原子力显微镜(AFM)的拓扑成像则更直观地揭示了在微片中心点位置的多层形态和在平面位置的单层形态。由于二维MoS₂的直接带隙会由于层数增加而转变为直接带隙，光致发光(PL)测试也同样证明微片中心呈现的多层形态。在这类CVD制备MoS₂的工艺也会生成除三角形之外的其他多边形微片，但它们同样遵循着类似的零维至二维的生长模式。这一结论已经通过对其化学组分表征(AES和XPS)以及结构表征(HRTEM和SAED)进行了论证。

图示：(a)MoS2多边形微片的光学显微成像；(b, c)在图(a)白框范围内取点测试的拉曼和PL光谱谱图；(d, e)E12g和A1g模式吸收强度的拉曼映射图像；(f, g)PL的强度映射和峰值漂移映射图像。

    徐明生教授小组的这一重要发现解释了TMDs如何在衬底表面成核，以及成核中心是薄膜生长的决定性因素，为TMDs规模化和可控生长提供了重要思路。

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