Nano Res.│香港理工大学柴扬团队：合金缓冲控制的碲烯范德华外延定向生长

材料

作者：Nano Research

2022-05-11

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背景介绍

新兴的 VI 族元素二维材料，例如碲烯表现出独特的结构各向异性、高载流子迁移率和宽带光响应特性，这使它们在未来纳米电子学得到广泛应用。化学气相沉积方法是生长高质量二维半导体的一种有效方法。然而，气相生长方法通常采用固态源，其在生长过程中表现出时空不均匀性,并为控制均匀性和可靠地生长二维材料提出了巨大的挑战。此外，碲烯的准一维链状结构使其具有高度各向异性的特性。

研究方法

为了解决前驱体的时空分布不均匀这一问题，研究人员发明了一种铜箔辅助法生长碲烯，碲颗粒作为前驱体放置在上游距离高温区10cm的位置，一片新鲜剥离的氟金云母放置在铜箔上作为生长衬底，云母片和铜箔的面积均为1cm×1cm，将其放置在高温区600℃，生长气氛采用氩气，气流量大小为50sccm，生长时间为10分钟，待管式炉温度冷却至室温后，即可得到下表面有碲烯样品的云母片。由于云母片和铜箔的紧密接触以及碲原子在铜箔表面的强吸附，碲前驱体蒸发至气相后，气相分子首先进入铜箔和云母的间隙并且吸附在铜箔表面形成铜碲合金，合金作为缓冲层，此时的铜碲合金作为下一步气相生长的源，紧接着碲原子会从铜碲合金蒸发至气相然后在云母片和铜箔形成的微小的空间中进行限域生长并沉积至云母片上，最终可以得到厚度低于10纳米的碲烯薄片，该方法成功解决了传统气相法中前驱体时空分布不均匀问题。

成果简介

香港理工大学柴扬教授、朱叶教授，香港大学Li Lain Jong教授等研究人员发明了一种合金缓冲控制的方法成功得到了薄层的碲烯，同时实现了二维碲烯的方向可控生长。生长所采用的云母衬底是一种外延生长衬底，其表面没有悬挂键并且是原子级平整的。云母和碲烯同属于六角晶格，晶格常数最低的失配率仅0.15%，在此失配率下，仅存在两个生长方向的碲烯，小尺寸的二维碲烯薄片有望外延至与其他方向一致的碲烯从而融合形成大面积单晶，这为实现大面积生长碲烯提供了新的思路。选择合适的生长衬底并且对二维碲烯的方向可控，那么大面积碲烯的生长以及其他种类的二维材料的大尺寸生长是则有望实现。该论文的第一作者为香港理工大学应用物理系博士研究生王聪。

图文导读

图 1 (a) 碲烯生长示意图。(b)生长所采用的云母和铜箔图片。进行 Te 生长时，将新鲜剥离的云母放置在铜箔表面。(c) 碲烯生长的流程示意图。碲原子首先吸附在铜箔表面然后扩散至铜箔内部，接着重新蒸发至云母表面进行外延生长。(d) 碲原子云母和铜箔表面的吸附计算模型。

图 2 (a) 碲烯的晶体结构示意图。(b) 碲烯的光学图像。(c) 碲烯的 AFM 图像 (d) 二维碲的拉曼光谱和三种振动模式示意图。(e) 三角形 碲烯的TEM 图像薄片。(f) 碲烯的高分辨电镜图像。

图 3 (a) 云母衬底上生长的碲烯方向的统计分布。(b) 云母和碲烯之间的晶格失配示意图。（c）结合能与碲烯排列之间的角度关系。(d) 云母表面碲烯生长的计算模型。

文章信息

Cong Wang, Chao Xu, Xuyun Guo, Ning Zhang, Jianmin Yan, Jiewei Chen, Wei Yu, Jing-Kai Qin, Ye Zhu, Lain-Jong Li & Yang Chai*. Alloy-buffer-controlled van der Waals epitaxial growth of aligned tellurene. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4188-7.

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