二维过渡金属硫族化合物（TMDs）由于其优异的电学和光学性质在纳米电子和光电子器件领域受到了学者们的广泛的关注。不同于具有高对称2H结构的VI族TMDs材料（如MoS2和WSe2），VII族TMDs（如ReS2和ReSe2）材料具有低对称的1T'结构。这种晶格结构对称性的降低赋予了这类材料独特的二维面内各向异性光学和电学性质，使其在场效应晶体管、光电探测器和新概念器件等方面具有很大的应用潜力。然而，因VII族TMDs材料的结构更加复杂，其制备和性质研究一直是二维原子晶体材料研究领域的难点。近日，陕西师范大学材料科学与工程学院徐华副教授课题组与韩国蔚山大学丁峰教授和日本精细陶瓷研究所洪金华博士合作，从原子尺度深入研究了CVD生长ReS2的结构特征和生长机制，提出了一种全新的“纳米组装生长”模型，完美地诠释了ReS2从成核到生长过程晶界和子晶畴产生方式和机制。
在前期CVD生长制备ReS2材料的基础上（Adv. Mater., 2017, 29, 1705015; Adv. Mater., 2016, 28, 5019-5024; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1804696），研究人员进一步发展出偏振光学成像和偏振拉曼成像技术使得ReS2晶畴中的子晶畴和晶界得以全部显现，并且利用角分辨偏振光学成像技术快速、无损、精确地鉴定出了每一个子晶畴的晶格方向。通过高分辨电镜成像和角分辨偏振拉曼光谱，研究人员发现CVD生长所得ReS2结构中相邻子晶畴的面内取向呈60夹角，垂直取向呈0或180夹角，其晶界在原子尺度上呈“之”字形的折线且具有3种结构。特别是，作者发现了多达7种不同结构的晶界，其中3种形成能最低的晶界(0°, 0°)σ, (60°, 120°)σ和(120°, 240°)σ在实验中最为常见。基于这三种铼链重构作者提出了一种全新的“纳米组装生长”模型，利用该模型可以对CVD生长所得任意形貌和结构特征的ReS2样品进行描述。在此基础上，研究人员通过控制ReS2生长热力学，实现了对其晶界结构和密度的有效调控，并构筑出了一种共格孪晶超晶格结构。电学输运测试结果表明，ReS2结构中不同类型的晶界对其电学输运性质影响具有显著差异，自然拼接的晶界会显著降低材料电输运性能，而共格孪晶对电学输运性能影响则较小。理论计算发现这些结构多样的晶界具有丰富多彩的性质，如产生新的电子态和铁磁性等，这些性质对于构筑新型二维电子器件具有很好的应用价值。该研究工作对于认识低晶格对称二维材料家族的生长机制及其可控制备具有重要的理论价值和指导作用。
图1. 化学气相沉积生长所得单层ReS2中的子晶畴和晶界。
图2. ReS2生长过程中三种典型的铼链重构，及由其导致的纳米组装生长模型。
相关成果发表于Advanced Functional Materials。陕西师范大学李晓波和韩国蔚山大学王晓博士为共同第一作者，陕西师范大学徐华副教授、韩国蔚山大学丁峰教授和日本精细陶瓷研究所洪金华博士为该工作的共同通讯作者。此外，该工作得到了西北工业大学冯晴亮副教授、北京大学张锦教授和刘开辉教授，陕西省能源新材料与器件重点实验室，以及国家自然科学基金，陕西师范大学中央高校基础研究基金和西北工业大学中央高校基础研究基金等项目的支持。
Nanoassembly Growth model for Subdomain and Grain Boundary Formation in 1T' Layered ReS2
Xiaobo Li, Xiao Wang, Jinhua Hong*, Dongyan Liu, Qingliang Feng, Zhibin Lei, Kaihui Liu, Feng Ding*, Hua Xu*
Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201906385 |
