南洋理工大学刘政AFM：单层MoS2-WS2横向异质结构的形态调控

【引言】

基于二维过渡硫属化合物的2D异质结构因其独特的电学和光学性质近年来引起了广泛关注，在P-N结，光电探测器，传感器及催化剂等领域有潜在的应用。因此，如何合成大面积，高质量的二维过渡金属二硫族化合物（TMDs）的异质结如MoS2-WS2是实现其应用的关键所在。尽管目前已有不少关于MoS2-WS2 平面异质结合成的报道，然而，用一步化学气相沉积同时以金属氧化物作为前驱体来控制MoS2-WS2异质结构的尺寸仍面临巨大挑战，主要原因在于：（1）由于MoS2生长吉布斯自由能相比于WS2较小，难以精确控制MoS2在高温下的生长速率; （2）尽管在低温下，WS2可以使用不同原材料如H2WO4或混合粉末（WO3和NaCl）合成，但当使用WO3作为前驱物时，但由于其较低的蒸气压和反应活性，WS2很难被合成。如何深入的了解MoS2-WS2的生长机理并控制异质结的尺寸是一大难题。

【成果简介】

近日，南洋理工大学刘政教授和浙江大学金传洪教授（共同通讯作者）课题组在国际顶级期刊 Advanced Functional Materials上发表 “Morphology Engineering in Monolayer MoS2-WS2 Lateral Heterostructures”的论文。第一作者周家东，汤碧珺。研究人员通过设计的CVD方法合成了大尺寸的MoS2-WS2横向异质结构。异质结构的尺寸可以通过调节原材料MoO3和WO3的重量比以及调节不同的反应温度来控制。具体而言，异质结构的核（MoS2）和壳（WS2）的大小可以分别调整为几百纳米至几十微米和几至几百微米的量级。另外，通过调节反应温度，可以得到尺寸为560μm大的横向异质结构。在800℃的反应温度下，可以观察到WS2量子阱，这为研究异质结中的单光子发射、量子限制效应和量子阱应用提供了机会。拉曼，光致发光（PL）和二次谐波产生（SHG）表征也被用于验证单层MoS2-WS2横向异质结构的结构。原子分辨扫描透射电子显微镜（STEM）成像进一步证实了MoS2-WS2横向异质结构的锐界面和量子阱结构。该方法为大规模制备具有可控形态的MoS2-WS2横向异质结构铺平了道路，并且容易扩展到其他TMD异质结构的形态调控。

【全文解析】

图1 实验装置的示意图以及合成的MoS2-WS2横向异质结构的整体形态。a）横向异质结构合成过程的示意图。b-f）在650℃下生长的MoS2-WS2横向异质结构的晶体结构和光学图像，其中WO3：MoO3的重量比分别为0,10,100和1000。d-f）中的嵌入图像是相应的荧光图像，显示壳（WS2）和核（MoS2）的不同尺寸。g）在不同前驱物重量比下生长的异质结的壳与核的尺寸比。

图2  a）650℃，b）700℃和c）750℃的温度下生长的MoS2-WS2横向异质结构的光学图像。特别是，在750℃的高温下，横向异质结构的尺寸达到约560μm。d）在不同反应温度下生长的异质结构的尺寸，误差区间分别为15, 10和8。

图3 MoS2-WS2横向异质结构的拉曼和光致发光（PL）表征。a）取自核心，壳层和异质结界面的拉曼光谱，分别显示了MoS2和WS2的特征峰以及它们在界面区域的叠加。插图是MoS2-WS2横向异质结构的光学和荧光图像。b, c）在381和351cm^-1处的拉曼强度映射，显示以MoS2为核心并且WS2为壳的核-壳结构。d）在630和680nm处具有峰的异质结构的PL光谱，分别对应纯的WS2和纯的MoS2。界面处的峰值在630和680nm之间。e, f）在680和630nm处的PL强度映射，分别对应于MoS2和WS2的特征PL峰。

图4 MoS2-WS2横向异质结构的二次谐波产生（SHG）表征。a）异质结构的光学图像。b-d）从核心中的MoS2，壳体中的WS2以及界面获得的SHG信号。e）横向异质结构的整体信号。

图5 MoS2-WS2横向异质结构的环状暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）表征。a）MoS2-WS2横向异质结构的低倍ADF-STEM图像，内部MoS2三角形的边长约300nm。b-d）分别为MoS2，WS2和界面的原子分辨率ADF-STEM图像。

图6 WS2量子阱在MoS2-WS2横向异质结中的示意图和ADF-STEM表征。a, b）在800℃合成的异质结构的示意图和晶体结构。b）中显示的WS2量子阱以红色突出显示。c）MoS2-WS2-MoS2横向异质结结构和WS2量子阱结构的原子分辨STEM图像。d）Mo，W和两者的电子能量损失谱（EELS）映射。

【总结与展望】

总之，研究人员通过控制前驱物MoO3和WO3的重量比以及反应温度成功地调控了单层MoS2-WS2横向异质结构的形态。只需通过改变原料比例即可将WS2与MoS2的尺寸比从小于1调整为大于20。同时，通过调节反应温度可以获得数百微米的大异质结构。有趣的是，在合成的异质结构中观察到了WS2量子阱，这为研究诸如单光子发射的新颖光学性质以及量子限制效应和量子阱应用提供了机会。这项工作揭示了2D TMD异质结构的形态调控，确保其在未来的电子和光电子器件中的应用。

Jiadong Zhou, Bijun Tang, Junhao Lin, Danhui Lv, Jia Shi, Linfeng Sun, Qingsheng Zeng, Lin Niu, Fucai Liu, Xiaowei Wang, Xinfeng Liu, Kazu Suenaga, Chuanhong Jin, Zheng Liu, Morphology Engineering in Monolayer MoS2-WS2 Lateral Heterostructures, Adv. Funct. Mater., DOI:10.1002/adfm.201801568.