动态新闻
通知公告
   
   
 
 

Nature Materials发表王江伟研究员课题组合作研究成果-环境稳定型二维硒化物薄膜的可控生长

编辑:日期:2019-03-25 访问次数:40

Nature Materials发表王江伟研究员课题组合作研究成果-环境稳定型二维硒化物薄膜的可控生长

311日,Nature Materials在线发表了南京大学物理学院高力波教授与浙江大学材料科学与工程学院硅材料国家重点实验室王江伟研究员合作的研究成果《环境稳定型二维硒化物薄膜的可控生长》 (Growth of environmentally stable transition metal selenide films)。研究人员提出了新的两步气相沉积法,成功制备了环境稳定型超导硒化物薄膜,并结合先进的电子显微学技术,揭示了晶格缺陷对于二维过渡金属硫族化合物的不稳定性的重要影响。该工作进一步发展了对于二维材料在大气环境下稳定性的认识,对二维材料的产业应用具有重要意义。


 以石墨烯为代表的二维材料,由于具有不同于其块体材料的特殊力、热、光、电、磁等物理性能,在多个学科领域掀起了研究热潮。其中,二维化的过渡金属硫族化合物,包括过渡金属硫化物(例如MoS2WS2ReS2等)、硒化物(例如WSe2NbSe2TiSe2InSeFeSe等)和碲化物(例如WTe2等),晶体结构简单,物性多变,样品容易获取,成为了实现柔性半导体、光电、超导、自旋的理想平台。然而,不论是从块体中直接剥离,利用普通化学气相沉积法还是分子束外延法生长的二维材料,极易受到空气中H2OO2的影响而被快速氧化变质,极大降低其物性。这种在大气环境下的不稳定性,给器件的制造带来了一系列问题,极大地限制了二维材料的产业应用。


 为了解决二维过渡金属硫族化合物的环境稳定性难题,南京大学物理学院高力波教授课题组首先通过实验观察和理论预测,发现这些样品在大气环境下的不稳定性主要起源于二维材料中存在的氧键和原子空位。在此认识基础上,提出了新的两步气相沉积法,即先通过物理气相沉积法制备无氧的超薄过渡金属(Se)薄膜,再利用化学气相沉积法进行硒化生长,最终得到无氧键和无原子空位的具有超导特性的NbSe2薄膜(图1)。


 研究人员对该薄膜材料进行了一系列的恶劣环境处理(包括大气下的长时间放置、大气气氛下烘烤、各种水溶液下浸泡以及高真空下的退火等)后发现,利用新的两步气相沉积法生长出来的NbSe2薄膜仍能够很好地保持着超导特性(图1d)。利用球差校正电子显微镜进行大量原子尺度的结构表征发现,恶劣条件处理前后,NbSe2薄膜的晶格结构均保持完整,几乎没有空位产生(图2),从实验上证实了晶格缺陷对于二维过渡金属硫族化合物的不稳定性的重要影响。进一步分析表明,绝大多数的二维材料在大气环境下是能够稳定存在的,关键在于制备过程中对于晶格缺陷的调控。新的两步气相沉积法最大限度地降低了氧键和原子空位的浓度,因此生长出NbSe2薄膜具有极高的环境稳定性。利用相同的方法,研究人员还成功制备了具有高环境稳定性的TiSe2薄膜。因此,该工作不仅发展了目前对于二维材料在大气环境下稳定性的认识,更对于简化二维材料器件制造工艺,进一步推动其产业应用具有重要意义。


 南京大学物理学院博士生林会会和浙江大学材料学院博士生祝祺为论文的共同第一作者,高力波教授和王江伟研究员为共同通讯作者。该工作得到了南京大学固体微结构物理国家重点实验室、浙江大学硅材料国家重点实验室、中央高校基本科研业务费、科技部“量子调控”国家重点研发计划、国家自然科学基金、青年千人计划、江苏省自然科学基金和南京大学超算中心的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-019-0321-8

1:(a)从NbNbSe2的结构变化示意图;(b)物理气相沉积法制备的2Nb薄膜和化学气相沉积法生长的NbSe2薄膜;(c)不同步骤下制备的NbNbSe2膜的厚度变化;(d)不同厚度的NbSe2变温电阻曲线,其超导特性随着厚度不同而变化。

2:(ab)在大气气氛下常温放置数天,和大气下加热到50 °C后的扫描透射电子显微镜照片,其NbSe2薄膜晶格仍然保持完整;(c)超导转变温度(Tc)在大气气氛中,不同暴露时间的变化图(常温下,蓝线;50 °C时,红线);(d)浸泡在不同溶液(蓝线)和在真空退火条件处理后(红线),NbSe2薄膜的Tc的变化趋势图。




 
版权所有:浙江大学硅材料国家重点实验室 地址:浙江大学玉泉校区内 您是本站第 位访客
电子邮件:silicon_lab@ 电话/传真:0571-87952096 邮编:310027