研究背景
自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，二維層狀材料因優(yōu)異的光電性能一直是研究的熱點(diǎn)，而二維非層狀材料也因?yàn)槠洫?dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在尺寸受限的情況下，引起了人們極大的研究興趣。硫化鉑作為最常見(jiàn)的鉑族礦物之一，由于天然產(chǎn)物純度較低或合成壓力極高，并且 PtS 不能通過(guò)機(jī)械剝離其三維母體而變薄。與其他二維材料相比，PtS 作為物理現(xiàn)象研究平臺(tái)的研究較少。目前還沒(méi)有大面積均相合成路線的提出和發(fā)布。因此，單硫化鉑(PtS)二維膜已成為拉曼光譜和 X 射線光電子能譜分析等基礎(chǔ)性質(zhì)研究以及器件探索的后起之秀。
文章介紹
針對(duì) PtS 的形成機(jī)理不明晰和大面積均相合成路線的尚未提出，近日，濟(jì)南大學(xué)逄金波-劉宏教授團(tuán)隊(duì)/南方科大楊烽團(tuán)隊(duì)/中科院深圳先進(jìn)院王曉團(tuán)隊(duì)等報(bào)告了一種簡(jiǎn)單的金屬硫化策略合成 4 英寸晶片尺度的 PtS 薄膜。增強(qiáng)的表征工具被用來(lái)徹底分析晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)環(huán)境、振動(dòng)模式和原子構(gòu)型。此外，此外，通過(guò)理論計(jì)算繪制了 Pt-S 化合物的相圖，表明在我們的合成條件下成功地形成了 PtS。相關(guān)研究工作以“A wafer-scale two-dimensional platinum monosulfide ultrathin film via metal sulfurization for high performance photoelectronics”為題發(fā)表在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)材料類期刊 Materials Advances (Mater. Adv. 2022, 3, 1497.)，并獲選內(nèi)封面(Mater. Adv. 2022, 3, 1308.)。
圖文解析
I) PtS 薄膜的合成、結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)表征
采用 CVD 法合成 PtS 薄膜，展示了 PtS 晶體原子透視圖和基礎(chǔ)表征，證明成功合成了 PtS 薄膜。
▲ | 圖 1. 用金屬膜加硫化的方法合成 4 英寸晶片尺度的 PtS 薄膜。(a) 金屬硫化合成路線方案。(b) 4 寸晶圓級(jí) PtS 薄膜圖像。(c) PtS 薄膜的原子力顯微鏡圖像，(底部)面板中繪制的線的高度剖面(c)。(d) 具有代表性的 PtS 樣品的拉曼光譜。(e) PtS 晶體原子構(gòu)型的透視圖(Pt，藍(lán)色；S，洋紅)。(f)模擬電子衍射和(g) PtS 薄膜沿[001]方向的原子分辨率成像。假(彩虹)彩色圖像處理用于引導(dǎo)眼睛，藍(lán)色代表 Pt 原子，淺黃色代表 S 原子。(h)模擬電子衍射和(i)PtS 薄膜沿[021]方向的原子分辨率成像。大的洋紅色圓點(diǎn)代表鉑原子，小的藍(lán)色圓點(diǎn)代表 S 原子。 |
II) PtS薄膜的化學(xué)靈敏的高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描 TEM(HAADF-STEM)表征。
掃描透射電子顯微鏡圖像顯示了 PtS 的[001]和[021]取向的結(jié)構(gòu)。
▲ | 圖 2. PtS 薄膜的原子分辨率成像。(a) PtS 的 STEM 圖表。(b) 從面板(a)中的虛線正方形標(biāo)記區(qū)域?qū)С龅目焖俑盗⑷~變換(FFT)圖案。(c) 模擬了 PtS 在[001]方向的電子衍射圖。(d) 實(shí)驗(yàn)特寫(xiě)視圖和(e) PtS 沿[001]方向的相應(yīng)模擬 HAADF-STEM 圖像。文中還給出了 PtS 的疊加模型。(f)沿[001]區(qū)軸的 PtS 原子模型。PtS 的(g) Pt 4f 和(H)S 2p 峰的 XPS 譜。(i) PtS 的初級(jí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)。 |
III) Pt-S化合物相圖
▲ | 圖 3. 鉑硫化物的計(jì)算相圖。(a) 在不同生長(zhǎng)溫度 T 和硫蒸氣分壓 P 下，PtS2 的形成與硫摻入反應(yīng)中的化學(xué)勢(shì)有關(guān)。(b) PtS2 和 PtS2 在不同生長(zhǎng)溫度 T 和硫分壓 P 下的相圖，?G < 0出現(xiàn)在 PtS2 區(qū)域，?G > 0 出現(xiàn)在 PtS2 區(qū)域。在邊界處，反應(yīng) PtS + S = PtS2 的 ?G = 0。 |
IV) PtS 光電器件
PtS 薄膜光電探測(cè)器性能。
▲ | 圖 4. 基于 PtS 的光電探測(cè)器的性能。(a) 該裝置的方案。(b) 該器件的光學(xué)顯微照片。(c) PtS 的 B1g 模式的拉曼測(cè)繪。(d) 激光功率依賴電流。激光波長(zhǎng)為 650 nm。(e) 來(lái)自面板(d)的放大區(qū)域。(f) 周期性接通和斷開(kāi)光源的基于 PtS 的光電探測(cè)器的時(shí)變電流。采用 2 nm、4 nm 和 10 nm 不同厚度的 PtS 制備光電探測(cè)器。電流強(qiáng)度是凈光電流，也就是開(kāi)燈時(shí)電流的變化。 |
總結(jié)與展望
我們的簡(jiǎn)單金屬硫化策略成功合成了 4 英寸晶圓尺度的均勻 PTS 薄膜。此外，原子分辨 STEM 成像和衍射模擬證實(shí)了純相 PtS 的形成。此外，熱力學(xué)計(jì)算的 Pt-S 化合物相圖表明，在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，除 PtS2 外，其他的 PtS 形成占主導(dǎo)地位。最終，基于 PtS 的光電探測(cè)器表現(xiàn)出優(yōu)越的光響應(yīng)和大的光電流產(chǎn)生。我們的方法可能有助于將 PtS 大面積集成到基于二維材料的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，極大地提高了它們?cè)陔娮雍凸怆姺矫娴膽?yīng)用。
論文信息
A wafer-scale two-dimensional platinum monosulfide ultrathin film via metal sulfurization for high performance photoelectronics
Jinbo Pang*(逄金波，濟(jì)南大學(xué)), Yanhao Wang, Xiaoxin Yang, Lei Zhang, Yufen Li, Yu Zhang, Jiali Yang, Feng Yang*(楊烽，南方科技大學(xué)), Xiao Wang*(王曉，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院), Gianaurelio Cuniberti, Hong Liu, and Mark H. Rümmeli
Mater. Adv., 2022, 3, 1497–1505
http://doi.org/10.1039/D1MA00757B
濟(jì)南大學(xué)通訊作者信息
濟(jì)南大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院院長(zhǎng)，山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者。中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)晶體生長(zhǎng)分會(huì)理事，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)材料專業(yè)委員會(huì)會(huì)員理事，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)納米材料與器件分會(huì)理事。主要研究方向：生物傳感材料與器件、納米能源材料、組織工程與干細(xì)胞分化、光電功能材料等。十年來(lái)，主持了包括十五、十一五、十二五 863、十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目和自然基金重大項(xiàng)目、自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目在內(nèi)的十余項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，取得了重要進(jìn)展。2004 至今，在包括 Adv. Mater., Nano Letters, ACS Nano, J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater, Energy Environ. Sci.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表 SCI 文章 300 余篇，其中，個(gè)人文章總被引次數(shù)超過(guò) 23000 次，H 因子為 72，其中 30 余篇文章被 Web of Science 的 ESI（Essential Science Indicators）選為 “過(guò)去十年高被引用論文”（Highly Cited Papers (last 10 years))，文章入選 2013 年中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文，2015 和 2019 年度進(jìn)入英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)期刊“Top 1% 高被引中國(guó)作者”榜單。2018 至 2021 連續(xù)四年被科睿唯安評(píng)選為“全球高被引科學(xué)家”。應(yīng)邀在化學(xué)頂尖期刊 Chemical Society Review 和材料頂尖期刊 Advanced Materials和 Advanced Energy Materials上發(fā)表綜述性學(xué)術(shù)論文，在國(guó)際上產(chǎn)生重要影響。授權(quán)專利 30 余項(xiàng)，研究成果已經(jīng)在相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到應(yīng)用。2019 年獲得山東省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。
濟(jì)南大學(xué)
濟(jì)南大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院，副研究員，碩士生導(dǎo)師（化學(xué)專業(yè)，2022 年招生 1 名）。主要研究領(lǐng)域：二維材料的晶圓級(jí)可控合成和范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑及其在電子、光電子器件上的應(yīng)用；碳納米材料的電子、光電子學(xué)應(yīng)用。主要研究成果：近年來(lái)在碳納米管、石墨烯、過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔铮ǘu）和貴金屬硫?qū)倩衔铮蚧K、二硒化鈀）等低維納米材料的設(shè)計(jì)理論、關(guān)鍵合成、基礎(chǔ)應(yīng)用、信息器件等方面做出了較大貢獻(xiàn)。以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金等多項(xiàng)課題。在包括 Adv. Energy Mater.、InfoMat、Nano-Micro Lett.、ACS Energy Lett.、Nano Energy、ACS Nano、Nano Res.、Chem. Soc. Rev.、Appl. Energy、Adv. Opt. Mater.、Solar RRL、ACS Sens.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表 SCI 文章 60 余篇，被引3041余次，H 因子為 26，獲授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)。
南方科技大學(xué)
南方科技大學(xué)化學(xué)系助理教授/PI，博士生導(dǎo)師，深圳市高層次專業(yè)領(lǐng)軍人才。主要從事基于碳納米管、團(tuán)簇材料可控合成、組裝和原位電鏡催化動(dòng)態(tài)研究。以第一/通訊作者在 Nature、Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Chem. Sci.、CCS Chem.等期刊發(fā)表論文，相關(guān)工作被美國(guó)化學(xué)會(huì)列為“2014 年度國(guó)際 Top10 化學(xué)研究”；已獲中、日、美、歐專利授權(quán) 9 項(xiàng)。曾獲得 2020 年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)(2/5)和 2017 年度教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)(2/7)、Iijima 獎(jiǎng)、中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等。主持國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、青年科學(xué)基金、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心等項(xiàng)目。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員，深圳市孔雀計(jì)劃 B 類人才。2015 年于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院獲得理學(xué)博士學(xué)位，畢業(yè)后受聘香港理工大學(xué)和韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院多尺度碳材料中心開(kāi)展博士后研究工作， 2019 年 8 月加入中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院。主要從事低維材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，性質(zhì)預(yù)測(cè)及其調(diào)控，生長(zhǎng)機(jī)制以及其在催化、能源應(yīng)用中的微觀機(jī)制研究等。目前承接廣東省、深圳市重大科技項(xiàng)目，長(zhǎng)期與國(guó)內(nèi)外一流研究團(tuán)隊(duì)保持密切合作，其中，以第一作者/通訊作者身份發(fā)表在 Nature Communications，Journal of the American Chemical Society，Advanced Materials，Physical Review Letters，National Science Review，Chem 等國(guó)際頂尖期刊，共 17 篇。兩項(xiàng)合作成果發(fā)表在 Nature（其中一篇入選 Chemical & Engineering News 2014 年度化學(xué)研究 Top 10 第五項(xiàng)），共發(fā)表論文 38 篇，引用超過(guò) 1600 次。
