二维过渡金属二硫族化物的衬底调控工程

以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维

二维过渡金属二硫族化物（2D TMDs）的大规模生产对于实现它们的工业应用至关重要。化学气相沉积（CVD）被认为是二维过渡金属二硫族化物大规模生产一种有前景的方法，其可用于控制生长高质量、大规模的2D TMDs。而在CVD过程中，衬底在固定源材料、促进成核和刺激外延生长方面发挥着关键作用，它对产品的厚度、微观结构和晶体质量有重要影响，这对于获得具有期望形貌和尺寸的2D TMDs尤为重要。

近日，来自华中科大翟天佑教授、李渊教授、刘世元教授团队联合美国费米加速器国家实验室的研究人员在Advanced Materials上以Substrate Engineering for Chemical Vapor Deposition Growth of Large-Scale Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides为题发表综述文章，系统总结了CVD制备大规模2D TMDs相关的衬底工程策略的最新发展。首先，文章通过结合最新的理论计算，系统地讨论了2D TMDs与衬底之间的相互作用，这是高质量材料生长的关键因素。在此基础上，文章详细总结了各种衬底工程方法对大面积2D TMDs生长的影响。最后，文章讨论了衬底工程对未来2D TMDs发展的机遇和挑战。该综述可能为可控生长高质量2D TMDs以实现工业化规模应用提供了一份极具价值的参考。

图1通过衬底工程实现的二维过渡金属二硫族化物的化学气相沉积生长的主要进展。

图源：Advanced Materials (2023).

二维过渡金属二硫族化物（2D TMDs）是一类引人注目的材料，由过渡金属原子和硫原子构成，在平面上形成了二维晶格结构。这些材料具有独特的物理和化学性质，因此在能源、光电子学、催化剂和传感器等领域具有广泛的应用前景。

2D TMDs的物理性质主要由其二维结构和过渡金属元素的选择所决定。与三维材料相比，二维结构赋予了2D TMDs许多独特的性质，如巨大的比表面积、可调控的能带结构和较强的量子限制效应。这些特点使得2D TMDs具有优异的光学、电学和磁学性质。

在2D TMDs中，过渡金属原子占据了晶格结构的中心位置，而硫原子则位于过渡金属原子周围形成六角形的配位构型。不同的过渡金属和硫原子组合可以产生不同的2D TMDs，如钼二硫化物（MoS2）、钼二硒化物（MoSe2）、钨二硫化物（WS2）和钨二硒化物（WSe2）等。每种2D TMDs都具有独特的晶体结构和化学性质，因此可以根据特定应用的需求选择适合的2D TMDs材料。

2D TMDs的电学性质是其最具吸引力的特点之一。这些材料通常表现出半导体行为，具有可调控的能带结构和较高的载流子迁移率。这使得它们在光电子学领域有广泛的应用，如光电探测器、光伏器件和柔性电子器件等。与传统的半导体材料相比，2D TMDs还具有更高的载流子迁移率和更低的电子散射率，这对于提高器件性能至关重要。

此外，2D TMDs还具有丰富的光学性质。它们表现出明显的光吸收、光发射和光散射特性，并在可见光和近红外光谱范围内显示出优异的光学性能。这使得2D TMDs成为光学器件的理想候选材料，如光催化剂、光传感器和激光器等。

此外，2D TMDs还具有优异的催化性能。它们在许多重要的催化反应中表现出高的催化活性和选择性，如水分解、CO2还原和有机合成等。这些优异的催化性能使得2D TMDs成为环境治理和可持续能源领域的重要材料。

尽管2D TMDs具有广阔的应用前景，但其大规模生产和应用仍面临一些挑战。其中之一是实现高质量和大面积的2D TMDs的制备。化学气相沉积（CVD）作为一种有前景的方法，能够实现对2D TMDs的控制生长。通过调控CVD过程中的温度、压力和气氛条件，可以实现高质量、大规模的2D TMDs生长。此外，衬底工程是一种重要的策略，可以通过选择适当的衬底材料和表面处理方法，实现对2D TMDs生长的控制。

图2. 2D TMDs与常用衬底的相互作用。

图源：Advanced Materials (2023).

二维过渡金属二硫族化物（2D TMDs）的大规模生产对于实现它们的工业应用至关重要。这些材料具有独特的二维结构和优异的电学、光学和磁学性质，因此在能源、光电子学、催化剂和传感器等领域具有巨大的潜力。化学气相沉积（CVD）作为一种有前景的方法，被广泛应用于控制生长高质量、大规模的2D TMDs。

化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）是一种广泛应用于材料制备和薄膜生长的技术。它通过在高温下将气体或气态前体分子在固体表面上发生化学反应，从而在衬底上沉积出薄膜或制备材料。CVD方法具有高度可控性和可扩展性，因此在半导体、陶瓷、光电子学、催化剂等领域被广泛应用。

CVD的基本原理是利用气相反应来控制材料的沉积过程。在CVD过程中，通常需要提供一个包含所需元素的气氛或前体气体，这些气体在一定的温度和压力下与衬底表面发生反应，形成沉积层。CVD过程可以分为两种主要类型：热CVD和等离子CVD。热CVD通常在高温下进行，而等离子CVD则通过在气体中产生等离子体来增加反应速率。

CVD方法的关键步骤包括气体传输、表面吸附、表面反应和薄膜生长。首先，反应气体需要通过气体传输系统输送到反应室中。在反应室内，气体与衬底表面接触，并通过吸附过程将气体分子吸附到衬底表面上。接下来，吸附分子在表面上发生化学反应，形成新的化学键和产物。最后，产物会逐渐沉积在衬底表面上，形成所需的薄膜结构。

CVD方法的成功与否取决于多个因素的控制。首先是反应温度，它对反应速率、产物结构和晶体质量具有重要影响。通常需要选择适当的温度来实现所需的沉积速率和薄膜质量。其次是反应气压，它可以调控反应速率、表面覆盖度和晶体结构。不同的材料和反应需要不同的气压条件。此外，气氛组成、气体流量和反应时间等参数也需要精确控制，以实现所需的沉积过程。

CVD方法在2D材料、薄膜和纳米结构的制备中具有重要的应用。特别是在制备二维过渡金属二硫族化物（2D TMDs）方面，CVD方法被广泛应用。2D TMDs是一类具有特殊结构和优异性能的材料，如二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）等。通过CVD方法，可以在合适的衬底上实现2D TMDs的控制生长，获得高质量的薄膜。此外，CVD方法还可用于控制生长其他2D材料，如石墨烯、硒化物和氮化物等。

总之，化学气相沉积（CVD）是一种重要的材料制备和薄膜生长技术。它通过在高温下控制气相反应来实现材料的沉积和生长。CVD方法具有高度可控性和可扩展性，可用于制备各种材料和薄膜结构。在2D TMDs的制备中，CVD方法已取得重要的实验进展，并为其在电子学、光电子学、催化剂等领域的应用奠定了基础。

最后，结构工程是一种基于衬底工程的策略，通过在衬底上构建纳米结构模板或引入缺陷来调控2D TMDs的生长。这些结构工程方法可以改变2D TMDs的晶格取向、形貌和尺寸分布，从而实现对产品性质的精确控制。

图3. 在各种衬底上实现大规模2D TMDs生长的策略。

图源：Advanced Materials (2023).

在CVD过程中，衬底起着至关重要的作用。它不仅用于固定源材料，还能促进成核和刺激外延生长。衬底对2D TMDs产品的厚度、微观结构和晶体质量有着重要的影响，这对于获得具有期望形貌和尺寸的2D TMDs至关重要。

过去几十年来，通过衬底工程实现的CVD生长大规模2D TMDs取得了显著的实验进展。衬底工程涉及选择适当的衬底材料、表面处理、引入衬底辅助杂质和结构工程等方面的策略。这些策略的设计和优化可以显著改善2D TMDs的生长质量和控制产品的形貌与尺寸。

首先，选择适当的衬底材料对于2D TMDs的生长至关重要。常用的衬底材料包括硅、石英、蓝宝石和氮化硅等。这些衬底材料具有良好的热稳定性和平整度，能够提供良好的表面形貌和晶格匹配，有利于2D TMDs的生长。此外，衬底的导热性能也对生长过程中的温度分布和热传导起着重要作用。

其次，表面处理是改善衬底与2D TMDs之间相互作用的关键步骤。常用的表面处理方法包括氧化、脱氢和化学修饰等。这些处理方法可以调节衬底表面的化学性质和能量状态，改变表面的亲疏水性和表面电荷分布，从而调控2D TMDs的成核和生长过程。

此外，引入衬底辅助杂质也是一种有效的衬底工程策略。通过在衬底上引入特定的杂质元素或化合物，可以调节2D TMDs生长的晶格匹配、表面能量和成核能垒，从而控制生长过程中的取向、形貌和尺寸。

综上所述，通过衬底工程实现的CVD生长大规模2D TMDs已取得了显著的进展。选择适当的衬底材料、表面处理、引入衬底辅助杂质和结构工程等策略都对于实现高质量、大规模的2D TMDs生长至关重要。随着对衬底与2D TMDs相互作用机制的深入理解和工程方法的不断优化，我们可以预见，2D TMDs将在工业应用中发挥出更大的潜力，为我们带来更多的科技和经济效益。

参考文献：

ShaohuaLi, Decai Ouyang, NaZhang, Yi Zhang, Akshay Murthy, Yuan Li, Shiyuan Liu,Tianyou Zhai. Substrate Engineeringfor Chemical Vapor Deposition Growth of Large-Scale Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides.Advanced Materials (2023).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202211855

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