近日,中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室李京波研究员和魏钟鸣研究员的研究团队,在一维/二维(1D/2D)异质结制备及生长机理的研究中取得新进展。    

  半导体异质结是由不同的半导体材料相互接触而形成的结构。组成异质结的两种材料具有不同的物理性质,这也使异质结常常表现出单一材料所不具备的一些特殊性质。近年来,由石墨烯、硫化钼等层状2D材料通过范德华力接触制备而成的2D/2D异质结迅速成为材料科学领域的研究前沿。同时,除了2D/2D异质结,还有其他如2D/3D1D/3D1D/1D以及0D/0D等低维异质结构制备的报道。但到目前为止,关于1D/2D纳米异质结制备和性质研究的报道都非常少,科研人员对于这种异质结的形成机理以及性质仍然缺少深入而系统的研究。 

  在此背景之下,该团队中的博士生黎永涛和黄乐等围绕1D/2D异质结的主题,以1D-Bi2S3纳米线和2D-MoS2单层片为基础,报道了化学气相沉积法共核同步生长的1D-Bi2S3/2D-MoS2异质结(如图1所示)。通过系统实验验证以及第一性原理计算,结果表明该异质结中的纳米线与二维单晶片之间只会在最开始的成核中心处连接,而成核后彼此分离独立生长,形成一种“共核”模式的生长机理。进一步的研究发现其“共核”生长是因为晶体成核中心处往往有较多晶格缺陷,这也导致此处有更高的化学能,在高温生长条件下容易使得Bi2S3MoS2在成核处形成一种新的杂化结构;而成核之后,由于Bi2S3MoS2分别属于正交晶系和六方晶系,彼此之间巨大的晶格差异令它们之间难以兼容,只能分离独立生长。值得指出的是这种缺陷诱导的共核生长理论很有可能是1D/2D异质结中一种普遍存在的生长形式,这也为我们更系统地理解以及以后研究这些特殊结构的异质结提供了很好的模板。同时对这种异质结构的光电性质研究也表明了其在制备场效应晶体管、光电探测器等光电子器件方面的潜在应用。相关成果近期发表在美国化学学会主办的《ACS Nano》上。该研究成果成功拓展了低维/低维异质结的研究体系,为构筑多功能低维半导体光电器件提供了良好基础。 

   

  1 共核同步生长1D-Bi2S3/2D-MoS2异质结(ACS Nano201610 (9), 8938–8946)。 

    

  该工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院的支持。 

  论文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b04952