物理学系新型功能材料二硫化钼领域最新研究成果
季威 研究组 供稿 2015-10-20
过渡金属硫族化合物（TMDC）是继石墨烯之后的“明星”材料，而二硫化钼（MoS2）则是过渡金属硫族化合物中的代表性材料，其完美单层晶体是迁移率较高的直接带隙半导体，有望成为下一代（柔性）电子器件的核心材料。先前的研究发现，不论是天然矿物直接制备的二硫化钼单层还是利用物理或化学方法合成的材料，其载流子迁移率都较理论预测有显著不足，其内在机制仍未探究清楚。
季威教授研究组与浙江大学张泽院士团队金传洪研究组、英国约克大学袁俊教授等合作，采用先进的扫描透射电子显微镜和高精度的第一性原理计算，系统全面地研究了多种不同方法制备的二硫化钼单层材料中的原子点缺陷。研究发现，采用机械剥离和化学气相沉积（CVD）方法得到的样品中具有较高的S空位缺陷，而采用物理气相沉积（PVD）方法制备的样品中的缺陷则主要为Mo反位缺陷（图2）。这两类缺陷对二硫化钼单层材料的光学、电学和磁学性质有着截然不同的影响。随后的电学测量从电子输运性质上验证了这一发现。理论计算分析了形成这些缺陷的热力学和动力学因素，并提出了调控办法。利用上述结果，不但可以控制制备过程，消除缺陷提升材料性能；也可以有意识地引入缺陷，得到具有新性质的材料。该研究将过渡金属硫族化合物的制备方法、缺陷种类和物理性质联系起来，是从原子结构出发认识和预测材料性质的代表性范例。该成果《二硫化钼原子缺陷探索》发表在《自然》杂志子刊《自然·通讯》上。
图2 五种反位缺陷的扫描透射电子显微镜图像和第一性原理计算预测的几何结构
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