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中国科大在二维半导体材料研究方面取得重要进展

( 2015-07-10 )
    近日,我系向斌教授课题组首次成功合成并表征了具有可调控带隙的二维半导体材料WS2(1-x)Se2x单层薄膜。这一成果拓宽了当前低维半导体材料研究的思路,在实验和理论上为低维半导体材料在实际中的应用提供了新的可能性。该工作以“Synthesis and enhanced electrochemical catalytic performance of monolayer WS2(1-x)Se2x with a tunable band gap”为题发表于国际重要期刊《先进材料》(Advanced Materials 2015, DOI: 10.1002/adma.201500368),论文的第一作者是中国科学技术大学化学与材料科学学院硕士研究生伏启。
 
生长于SiO2/Si基底上的三角形WS2(1-x)Se2x单层薄膜(左)及其随x值变化的荧光谱图。

    近年来,过渡族金属二硫属化物(TMCDs)成为了半导体材料研究的热点。这一类材料的结构类似于二维石墨烯,是很简单的二维形式:金属(如钼或钨)的单原子层被另外两个硫属(如硫或硒)单原子层夹在中间。相比于石墨烯的金属性,这类材料具有半导体的性质,而且其器件的能量效率要高于现有的硅基元素器件,这意味着它们有可能在未来的分子尺度的数码处理器材料选择中占据一席之地。而且这类材料还具有相当高效的吸收和发射光子的能力,使其很有希望成为光电信息传输的候选材料。

    目前,对于单一金属元素和单一硫属元素化合物的研究已经有相当多的成果。当我们在这些纯的化合物中再加入不同的金属元素或者硫属元素,形成一种类似于合金的结构时,异原子的引入会带来材料能带结构的变化,进而使其带隙宽度发生变化,在一定范围内达到可连续调控带宽的有益效果。这对于过渡族金属二硫属化物在半导体器件和光电器件方面的应用潜力是一个极大的提升。但是当前对于多种金属元素和多种硫属元素合金化合物的研究仍鲜见报道,主要原因是其制备条件较为苛刻。在这个工作中,本课题组利用CVD法,在常压下实现了WS2(1-x)Se2x单层薄膜的可控制备,对不同x值(即硒元素比例)的WS2(1-x)Se2x单层薄膜进行了各项测试,从实验数据和计算模拟等方面详细讨论了WS2(1-x)Se2x单层薄膜性能随x值变化所发生的转变。该工作为今后同类合金材料的制备和表征提供了可靠的依据。同时,本课题组在其他低维材料制备与表征方面也取得一定成果。博士研究生杨雷成功制备的二硫化钼纳米带,以高样品质量和比表面积在电化学产氢方面表现出极好的性能。该工作以“Single-Crystal Atomic-Layered Molybdenum Disulfide Nanobelts with High Surface Activity”为题发表于国 际重要期刊《ACS Nano》(ACS Nano 2015. 9, 6478-6483)。

    向斌教授为上述论文的通讯作者,中国科学技术大学为论文的第一单位。上述工作得到了国家自然基金委面上项目,中组部青年千人计划等项目的大力支持。(化学与材料科学学院、中科院能量转换材料重点实验室)

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201500368/abstract



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