Chem. Mater.封面：石英衬底对单层二硫化钨的多重调控

【引言】

生长衬底在二维（2D）过渡金属硫族化合物(TMDCs)的合成及性质调控方面起到关键作用。通常，生长衬底的功能和它的晶体结构和性质息息相关。譬如，sapphire和mica衬底由于具有和TMDCs相似的对称性和较高的晶格匹配，可以控制外延材料的生长方向，减少晶畴界面的缺陷密度；而低对称性的衬底如SrTiO₃或SiC等表面具有各向异性的扩散势垒，能够影响外延材料的形貌；Fused silica具有较低的热膨胀系数，能够在外延的双层MoSe₂中产生较大的拉伸力，实现间接带隙到直接带隙的能带转变。然而，之前报导衬底虽然能够在某些领域发挥作用，但它们的功能单一，对于TMDCs性质的控制有限，极大地限制了TMDCs复杂结构（如：大面积一维TMDCs纳米带，一维/二维复合TMDCs）的制备及潜在应用的实现。

【成果简介】

近日，南方科技大学程春课题组报导了m面单晶石英能够作为一种多功能的衬底，有效控制单层二硫化钨(WS₂)的生长方向并调控其能带结构和形貌维度。相关成果近期以“Multiple Regulation over Growth Direction, Band Structure, and Dimension of Monolayer WS₂ by a Quartz Substrate”作为封面文章发表于《Chemistry of Materials》上。香港科技大学王宁教授，清华大学刘锴教授，西悉尼大学Abbas Amini教授，河海大学唐春梅教授在材料表征及理论计算方面给予了该工作帮助。该项工作得到了粤港创新合作，广东高水平人才计划，香港研究资助局等项目的经费支持。

【图文导读】

图1 外延单层WS₂和单晶石英的取向关系。

(a)生长示意图；

(b)外延生长的单层WS₂在m面石英的扫描电子显微图；

(c)WS₂的取向统计。

图2 WS₂和单晶石英的匹配关系示意图及不同角度下的结合能。

(a)WS₂和石英的匹配结构（俯视图）；

(b)WS₂和石英的匹配结构（侧视图）；

(c)WS₂在石英上不同角度示意图；

(d)角度相关的结合能。

图3单层WS₂能带从直接带隙到间接带隙的转变。

(a)应力和温度关系示意图；

(b)转移后WS₂随温度变化的PL谱图；

(c)生长的WS₂随温度变化的PL谱图；

(d)随温度变化的X,X^-,I峰位置；

(e)随温度变化的X,X^-,I峰强度；

(f)单层WS₂在0%和5%压缩下的能带图；

(g)理论计算的直接/间接带隙随压缩应力的变化；

(h)实验测得随温度变化的直接带隙；

(i)温度与应力的关系。

图4单层WS₂维度从准一维的梯形向二维三角形的演化。

(a-d)不同生长时间下，WS₂的光学显微图；

(e)WS₂长径比随时间变化关系；

(f)WS₃单体在m-石英表面扩散方向示意图；

(g)不同扩散方向的势垒；

(h)单体浓度随生长时间变化；

(i)WS₂随时间变化由扩散受限生长到扩散自由生长。

【小结】

M面石英的特殊结构和性质在以下方面影响着外延生长的WS₂: 1.各向异性的晶格匹配有助于外延生长WS₂的方向控制；2.较大的热膨胀系数能够产生压缩应力，原位实现单层WS₂从直接带隙到间接带隙的转变；3.各向异性的扩散势垒能够影响WS₂的生长扩散，进而调控其形貌维度。这篇工作不仅加深了衬底和外延材料关系的理解，还为控制2D TMDCs的生长提供了有效的方法。此外，直接在生长衬底上调控材料的性能也为设计复杂结构TMDCs及其相关应用提供了更多的可能。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b05124

Chem. Mater. 2020, 32, 6, 2508-2517

Publication Date:February 25, 2020

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b05124

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