各種二維(2D)材料在晶片上的集成是實現(xiàn)多種電子器件的必要前提。另一方面，由二維材料的附加生長所形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建具有非常規(guī)性質(zhì)的材料。兩者都可以通過材料轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)，但在轉(zhuǎn)移過程中經(jīng)常遭受機械損壞或化學(xué)污染。高質(zhì)量二維材料的直接生長通常需要高溫，這阻礙了不同二維材料的附加生長或整體結(jié)合。廣東工業(yè)大學(xué)黃少銘、香港科技大學(xué)羅正湯、香港大學(xué)Lain-Jong Li、溫州大學(xué)張禮杰等人報道了在低于400°C的溫度下進(jìn)行生長結(jié)晶二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一般方法。在低溫下，金屬碘化物(MI，其中M為In、Cd、Cu、Co、Fe、Pb、Sn和Bi)層外延生長在云母(mica)基底上、MoS2或WS2上；隨后，低勢壘的碘與硫之間發(fā)生替代反應(yīng)，通過這種方式可至少獲得17種不同的二維結(jié)晶金屬硫?qū)倩衔铩?/span>例如，在280°C下，生長在MoS2上的2D In2S3表現(xiàn)出與常規(guī)高溫氣相沉積(~700-1000°C)生長的材料相當(dāng)?shù)母吖忭憫?yīng)性。在同一片晶片上還連續(xù)生長了多種2D材料，為不同高質(zhì)量2D材料的單片集成提供了有前途的解決方案。相關(guān)工作以Epitaxial substitution of metal iodides for low-temperature growth of two-dimensional metal chalcogenides為題在Nature Nanotechnology上發(fā)表論文。
第一步，即MI的生長，是溫度決定步驟，因為隨后的碘-硫原交換反應(yīng)形成所需的MCs可以在較低的溫度下進(jìn)行。由于大多數(shù)MIs在結(jié)構(gòu)上是分層的，它們在云母或范德華TMD(例如MoS2、WS2和WSe2)等分層基底上的生長通常通過范德華外延，所需溫度通常低于400°C，這得益于它們具有較低的表面擴散勢壘。觀察到MI在云母上的生長溫度略高于在TMD上的生長溫度。因此，重點討論了MC在TMD上的生長。首先，在藍(lán)寶石上基于CVD制備大規(guī)模的MoS2(或WS2)單層作為MI生長的模板。MI層可以通過低溫氣相沉積工藝在TMD模板上外延生長。在不打開爐的情況下，隨后的硫元(S、Se或Te)對碘的熱替代使MIs轉(zhuǎn)化為MCs。因此，本文合成了不同的MC，包括六種金屬硫化物(In2S3、SnS2、FeS2、CoS2、CuS和CdS)，八種金屬硒化物(In2Se3、Bi2Se3、SnSe2、CoSe2、FeSe、CuSe、CdSe和PbSe)，兩種金屬碲化物(Bi2Te3和SnTe)和一種MC合金(SnS2(1-x)Se2x)。
有趣的是，由于MIs在TMD基底上的外延特性，大多數(shù)MCs可以通過所提出的兩步生長過程外延形成在TMD上。以WS2上生長SnI2為例，由于SnS2和WS2的六方晶格結(jié)構(gòu)匹配，后續(xù)的S替換不會破壞WS2上的原始排列。WS2上SnS2的STEM圖像和元素映射證實了一個近乎理想的范德華界面的存在，其中Sn-W和S-S距離分別為6.4和2.9 ?，與理論值吻合良好。
圖3. 二維In2S3生長在過渡金屬硫族化合物上的光電特性
圖4. 低溫生長工藝使不同的2D金屬硫族化合物集成在同一水平的晶片上總之，本文已經(jīng)探索了如何在TMD或云母上外延生長MI，然后進(jìn)行低勢壘的I-to-S取代、交換，這是一種通用的低溫策略(265-400°C)，可以生長至少17個MCs，這為構(gòu)建可擴展的2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料提供了更多機會。Epitaxial substitution of metal iodides for low-temperature growth of two-dimensional metal chalcogenides，Nature Nanotechnology，2023.https://www.nature.com/articles/s41565-023-01326-1
