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六方氮化硼基底上成功合成高性能单层二硫化钼

单层二硫化钼(MoS2),是一类具有新颖光学、电学性质的二维半导体材料,一经发现即受到人们的广泛关注。MoS2块体,则是一类层与层之间以较为微弱的范德瓦尔斯力结合,层内以较强共价键相结合的具有多层结构的材料。当MoS2的厚度减至单层,它会从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体(禁带宽度约为1.85 eV),其晶格结构具有六方对称性,能带会出现两组不等价的能谷K与K’,从而提供了一种新的自由度:谷自由度。单层MoS2的出现,为新奇物理性质研究与新型光电器件制备领域开辟了新的空间。


化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD),是获得大面积单层MoS2的有效手段之一。采用CVD方法生长单层MoS2,常用的衬底是表面覆盖有均匀厚度SiO2层的Si衬底。由于SiO2表面存在大量的悬挂键和陷阱态,将会对MoS2进行电学掺杂——这在低维材料中尤为显著。具有类似石墨层状结构,被誉为“白色石墨”的六方氮化硼(h-BN),表面电荷态较少,具有良好化学惰性,且与MoS2晶格失配较小(约为1.4%)。在现有为数不多的关于以h-BN为衬底合成MoS2的相关科学报道之中,h-BN材料一般是通过低产量的机械剥离法获得,或者是以化学性质活泼的硼烷氨作为CVD方法的生长源来合成获取。h-BN衬底上合成的单层MoS2,其光致荧光(PL)信号的增强现象曾被报道,但关于该现象的物理机制的研究始终没有明确的结论。


六方氮化硼基底上成功合成高性能单层二硫化钼

北京大学物理学院戴伦教授及其研究团队,在h-BN衬底上成功制备出单层MoS2及其在其光学品质改善的物理机制研究方面取得重要进展。他们设计并实现了一种简单、高效且安全性高的方法,在h-BN衬底上成功生长出单层MoS2。相较于常规的SiO2/Si衬底,生长于h-BN衬底上的单层MoS2,其光学性能得到了显著提升。基于多层薄膜结构的光束传播模型,他们以h-BN厚度和荧光发射波长为参量,计算了光致荧光的信号强度。结果显示,在实验所用的h-BN厚度条件下,多层膜干涉效应不会带来实验所观测到的明显的荧光增强。因此,他们认为,MoS2光学品质得到改善的原因是由于h-BN对MoS2相对较弱的掺杂。此外,实验结果表明,相比在SiO2/Si衬底上生长的单层MoS2,在h-BN衬底上生长的单层MoS2的拉曼特征光谱中,与平面内原子振动相关的E2g模式峰位无明显变化,而与垂直于平面的原子振动相关的A1g模式峰位出现向高频方向移动的趋势。并且,E2g模式与A1g模式信号强度比明显减小。这些现象进一步支持了他们有关在h-BN衬底上生长的单层MoS2掺杂较弱的结论。该研究成果发表在SmallDOI: 10.1002/smll.201502141)上。




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