深圳国际研究生院成会明、刘碧录团队及合作者在非层状二维材料的可控制备方面取得新进展

由于二维(2D)过渡金属硫族化合物(TMC)在原子级厚度下展现出半导体带隙、高迁移率、独特的光学响应等一系列性质，使其在微电子、光电子和能源等领域备受关注。2D TMC材料具有层状或非层状形式的晶体结构，其中层状2D TMC在层间具有弱范德华作用力，在层内具有强共价键或离子键;而非层状2D TMC则延续了体相材料的结构，具有表面不饱和键与高表面活性。非层状2D TMC由于表面不饱和键以及强的层内和层间化学键，其难以通过传统的化学气相沉积(CVD)法制备，这限制了极限厚度下对该类材料表面电子态和表面性质的研究。

作为代表性的非层状2D TMC，Fe1–xS(0 < x < 0.125, 六方磁黄铁矿)具有NiAs结构，是地球上最丰富的硫化铁矿物之一。然而，其在2D薄厚度下的结构和性质却尚不明确。近日，清华大学深圳国际研究生院成会明教授、刘碧录副教授团队与南方科技大学林君浩副教授课题组、赵悦副教授课题组合作，通过在CVD过程中引入金属及金属氯化物作为双金属源，实现了多种薄层非层状2D TMC的可控生长，并研究了Fe1–xS在2D厚度极限下的结构和性质。

研究人员提出了一种普适的双金属源生长方法，利用金属及其氯化物的混合物作为金属前驱体，实现了非层状2D TMC的可控生长。以六方Fe1–xS为例，Fe1–xS纳米片的厚度薄至3nm，横向尺寸超过100μm。与MoS2这类层状TMC(阴离子空位占主导)不同的是，本研究在Fe1–xS中发现了有序阳离子Fe空位。低温输运测试和理论计算结果表明，2D Fe1–xS是一种稳定的窄带隙半导体，其带隙宽度约为60 meV。除Fe1–xS外，该方法还可用于生长其他多种具有有序阳离子空位的非层状2D TMC，包括Fe1–xSe、Co1–xS、Cr1–xS和V1–xS。本工作促进了非层状材料在2D厚度极限下的生长和物性探索。

图1. 双金属源制备多种非层状二维过渡金属硫族化合物

图2. 非层状二维Fe1-xS的结构表征

图3. 非层状二维Fe1-xS中的有序阳离子Fe空位表征

图4.非层状二维Fe1-xS中的电学特性

图5. 非层状二维Fe1-xSe、Co1-xS、Cr1-xS和V1-xS的电学特性

相关成果近日以“双金属源制备具有有序阳离子空位的非层状二维金属硫化物”(Dual-metal precursors for the universal growth of non-layered 2D transition metal chalcogenides with ordered cation vacancies)为题在线发表在期刊《科学通报》(Science Bulletin)上。

清华大学深圳国际研究生院教授成会明、副教授刘碧录和南方科技大学副教授林君浩、赵悦为论文通讯作者;清华大学深圳国际研究生院2018级博士研究生谭隽阳、2020级博士研究生曾圣锋和南方科技大学2019级博士研究生张宗腾为论文共同第一作者。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院副教授邹小龙、干林，博士王经伟、赵仕龙、陈文骏，2021级硕士研究生李晟楠、2020级硕士研究生郑荣戌，2020级博士研究生魏印平、孙宇杰，2019级博士研究生张荣杰、农慧雨以及南方科技大学博士侯福臣。该研究得到了国家自然科学基金委杰青项目、基础科学中心项目，广东省科技厅、深圳市科创委等部门的支持。

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