在(111)金箔上外延生长厘米级别单晶单层MoS₂薄膜

一、研究背景

二维半导体过渡金属双卤化物(TMDs)已经成为下一代纳米电子学和光电子学中具有吸引力的平台，可以将器件尺寸减小到10纳米尺度。 为了实现这一目标，晶片级的高结晶度单晶TMDs的可控合成一直是人们不断追求的目标。然而，以往在绝缘衬底(如云母和蓝宝石)上外延生长TMD薄膜的努力未能消除反平行畴和双晶边界的演化，导致多晶薄膜的形成。在此，我们报告了通过熔化和再分解商用金薄膜获得的晶片规模的单晶MoS₂单分子层薄膜，单晶MoS₂薄膜在金(111)薄膜上的外延生长。利用原子-厘米尺度表征技术，综合论证了MoS₂区域的单向对准和无缝拼接。利用现场扫描穿隧显微镜特征结合模拟计算,结果显示二硫化钼单层的成核是居多沿着金(111)薄膜台阶,导致高度取向生长的二硫化钼沿着(110)步骤边缘。因此，这项工作朝着MoS₂单分子层的实际应用和大规模集成二维电子器件迈出了重要的一步。

二、工作简介

图1.晶片级均匀单层MoS₂单晶在Au(111)上的APCVD生长。(a)生长过程示意图；（b-c） 在Au(111)/W薄膜上生长MoS₂的照片和扫描电子显微镜照片；（d）薄膜拉曼光谱；（e）代表性的μ-LEED图案，说明均匀的单晶MoS₂薄膜；（f）转移到SiO₂/Si衬底的MoS₂薄膜。

相比之下，多形核方法依赖于网格化的衬底，这使得外延TMD域可以在相同的方向生长，然后合并成类似于单晶的薄膜，它允许基片上多个成核位点的演化，因此TMD单晶薄膜可以扩展到所需的尺寸。因此，关键问题就变成了如何归纳各个域的一致方向。为了生长单晶TMDS薄膜，在诸如云母和蓝宝石等外延衬底上生长大面积TMD薄膜的研究已经开展了各种各样的研究，然而，六次对称的这种基材已被发现与三重对称的TMD材料不相容，通常导致反平行领域(0和60°方向)的演变和不可避免的孪生边界。晶界有缺陷的多晶薄膜通常是在合并过程中形成的。这种镜像双晶边界表现出金属特性，并作为传导通道，阻碍了相关器件的电学和光学特性。因此，控制晶界取向和抑制晶界形成是生长过程中的关键问题TMD单晶的。

图2.通过熔化和再分解金箔而获得的单晶，近晶金(111)表面。

本实验以Au(111)单晶为生长模板，在W箔上熔解再结晶得到工业金箔。以MoO₃和S为前驱体，采用APCVD法合成了MoS₂单分子层薄膜。

图3.单晶MoS₂膜在Au(111)上的原位STM表征。（a）大面积STM图像(VTip =?0.042 V, ITip = 3.23nA)显示在Au(111)上有一个连续的MoS₂单层;(f)统计分布(底板)的扭转角和二硫化钼晶格之间的波纹?模式,高度象征外延生长行为(顶面板)。插图:摩尔条纹的模拟晶格不匹配引起的二硫化钼和金(111)。箭头指示的方向二硫化钼晶格(蓝色)和摩尔条纹模式(红色)。

图4.MoS₂/Au(111)台阶诱导生长内在机理的实验结果和理论计算。

图5.S/Mo比对MoS₂成核取向和全膜结晶度的影响。

三、总结与展望

综上所述，本工作报告了在Au(111)衬底上成功合成晶片尺寸的单晶MoS₂单分子层薄膜。通过实验研究和DFT计算相结合，提出了Au(111)的阶梯边缘来诱导MoS₂单层区域的单向成核、生长以及随后的单晶化。结合过程中，由于晶格定向和晶格匹配诱导的外延生长行为，可以无缝地缝合对齐的畴。这种取向控制策略有望应用于其它TMD材料在单晶金属或绝缘材料上的生长衬底。本研究为单晶MoS₂单分子层的晶片级合成提供了可能，并为其在高性能纳米电子领域的实际应用提供了一定的参考。

四、文献信息

文献名称：Epitaxial Growth of Centimeter-Scale SingleCrystal MoS2 Monolayer on Au(111)

文献链接：https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c01478