重磅！看二维过渡金属二硫属化物“变变变”一e测试

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重磅！看二维过渡金属二硫属化物“变变变”

2022-04-27 16:42:50 0 434

一、研究背景

相变在材料领域是一个重要的特性，在此过程中会极大地改变固体电子特性，这是因为外部刺激或掺杂会引起原子结构变化。例如，光学 DVD 和非易失性电子随机存取存储器等存储技术，就得益于 Ge₂Sb₂Te₅ 从非晶态到晶态的可逆结构转变，其中电阻率降低了三个数量级，而光学反射率则增加了。原子结构的切换是通过激光或电脉冲触发的一些动力学途径发生的。开发相变材料需要全面了解原子机制和相变的精确空间控制。在这方面，结构变化的直接原子尺度观察对于揭示固体相变的机制是非常有必要的。这是澄清材料的相物理学和相的具体应用（如晶体管接触和催化剂设计）的先决条件。

在二维过渡金属二硫属化物（TMDs、MX₂、M = Mo、W 等；X=S、Se、Te）中，可在由Ar 等离子体处理过的或Li-、Na -，K-插层和重新掺杂的单层二硫化钼中观察到由硫属元素滑动引起的 2H → 1T 相转变。与体现出化学惰性的半导体 2H 相相比，金属 1T 相结构在析氢中表现出强的催化活性。在 MoTe₂ 系统中，2H↔1T′的相转变已经通过静电掺杂、W替代、激光照射或500℃以上的热处理得到了实现。此外，在 NbSe₂ 和 TaS₂中还发现了诸如电荷密度波到超导的电子相变。然而，在这些转变中，成分始终保持为 MX₂ 或 MX₃ ，而没有明显的硫属元素缺失。很少探索具有不同硫属元素含量的多化学计量 M_mX_n 相以提供 2D TMD 中相变的完整景观。然而，完整的相库对于新颖的相合成和平面内异相结构的精确设计至关重要。

二、研究成果

近日，天津大学胡智鑫课题组在原子分辨的环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）的助力下，系统地制备了二维多相Mo₄S₆，线性或锯齿形Mo₆Se₆（L-，Z-Mo₆Se₆）和含有双线空位（Mo₃S₄-DLV）的一维结构 Mo₃S₄等单层六角形MX₂。通过原位加热和化学计量工程观察到原子级一维 Mo₃S₄-DLV 中间 MoS₂ → Mo₄S₆ 和 MoSe₂ → Mo₆Se₆ 的相变。这些缺乏硫属元素的结构出现在 2H-MX₂ 的锯齿形方向上，如图 1 所示。不同的二相面内异质结构形成原子级尖锐边界。理论计算阐明了新二维相的结构和相变的原子滑动机制。实验结果将为在受控局部区域中操纵 TMDs 的多化学计量相做铺垫，并为其相工程、异质结构图案化和新型纳米电子应用做指导。相关研究工作以“Multiple 2D Phase Transformations in Monolayer Transition Metal Chalcogenides”为题发表在期刊《Advanced Materials》上。

三、图文速递

图1. 单层 MX₂ 中的一维结构和二维相

图2. Mo₃S₄-DLV → Mo₄S₆的原子机制

图3. MoSe₂ → Mo₆Se₆的原子机制

图4. 不同相和异质结构的电子结构

四、结论与展望

研究者通过原位STEM观察，将单层TMD中多个二维相之间的原子尺度结构转化可视化。随着结构的明确识别，详细阐述了每个相变的原子机制，即在硫属元素缺乏条件下阴离子 2H↔1T 滑动或超晶胞重建。所有工艺均由电子束控制，硫属元素缺陷受控，这在替代化学气相沉积或分子束外延中难以实现。这也显示了电子束图案化制造在具有尖锐界面的高度有序的平面内异质结构方面的潜力。相位控制中的原子精度能力可能会通过开发 2D-TMD 电子器件来打破硅基微电子器件中3-5 nm的缩放瓶颈。从多化学计量相的角度来看，研究结果将助力更多新颖结构的发现，并为相位控制、异相图案化和新型光电子学应用做出指导。

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