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低共熔体辅助外延生长大面积、高质量单层二硫化铼(ReS2
发表时间:2016-06-17  点击:1229

二维原子晶体是近年发现的厚度仅为单分子或单原子的一类新型半导体材料,具有非常优异的光学和电学性质,可以摆脱量子效应的束缚,制作出尺寸更小、性能更高的电子元器件,有望成为下一代计算机芯片的核心材料。作为二维原子晶体材料家族的重要成员,二硫化铼(ReS2)具有不同于传统二维材料的结构和性质,低的晶格对称性赋予其独特的二维面内各向异性光学和电学性质,在场效应晶体管、光电探测器和新概念器件等方面具有极大应用价值。然而,受该材料结构和性质特殊性所困,该材料的大面积可控制备仍然面临诸多问题。首先是制备该材料所需的铼源,其价态繁多,导致生长不可控;而单质铼又具有超高的熔点(~ 3180 oC),导致生长效率很低;特别是ReS2低的晶格对称性和弱的层间偶合作用使该材料的生长行为比传统二维材料的生长更加复杂,这些问题为该材料的大面积可控制备带来了巨大挑战,也阻碍其在电子和光电子器件方面的进一步应用。

        最近,陕西师范大学材料科学与工程学院徐华副教授课题组发展出了一种低共熔体辅助化学气相沉积生长方法,以云母为生长基底,成功实现了大面积、高质量单层ReS2薄膜的范德华外延生长。采用碲和铼形成的二元低共熔体合金作为Re源,有效的降低了铼的熔点,增大了反应体系铼的蒸气压,从而增大了ReS2的生长效率;由于铼与碲的反应活性极低且反应是在富硫气氛下进行,碲不会掺杂到ReS2晶格中,从而可以获得高晶格质量的ReS2薄膜。利用CVD生长所得ReS2制备的场效应晶体电流管开关比达106,室温电子迁移率在b轴和a轴方向分别为4.01和1.32 cm2V-1s-1,显示出了优异的电学各向异性性质。他们还研究了ReS2这种低晶格对称性二维材料独特的生长行为,发现在SiO2基底表面易于发生面外生长(out-of-plane growth),得到厚层花瓣状的ReS2材料;而在云母基底上由于受表面限域的作用易于发生面内生长(in-plane growth),可得到均匀单层的ReS2材料。此外,通过对ReS2不同温度下生长行为的研究揭示了该材料独特的各向异性生长模式,并在此基础上实现了该材料形貌的可控制备。以上研究不仅解决了ReS2材料在未来电子器件中应用的材料制备问题,而且对今后可控制备这类低晶格对称性二维材料具有重要指导意义。相关成果发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201600722)上。


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