利用微波輔助加熱實現二維過渡金屬硫屬化物生長

二維材料從實驗室走向產業(yè)化離不開材料的大規(guī)模制備，值得注意的是二維材料在電子器件上的應用對薄膜質量的要求很高，當前針對這塊應用的主流大規(guī)模制備方法還是集中在化學氣相沉積（CVD）上，而其他的大規(guī)模制備方法得到的薄膜質量還不達標。

當然除了在電子器件上的應用，二維材料還可以用在傳感、儲能和催化等領域，這些領域對制備薄膜的尺寸和晶體質量限制較少，因此一些成本低、效率高的材料制備方案反而更有優(yōu)勢，比如水熱法等。 這里想介紹的制備方法是利用微波輔助加熱實現二維過渡金屬硫屬化物（TMD）在固體襯底上的一步液相生長，這個方法在2017年由韓國浦項科技大學的Unyong Jeong教授團隊的Anupam Giri發(fā)表在Advanced Materials上。

他們通過對含有電解質溶液的前驅體進行微波輻照，在固體襯底上一步快速合成TMD薄膜（MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等）（45-90秒內）。通過改變電解質溶液中前驅體的濃度，可以精確控制TMD薄膜的五層數量。由小尺寸顆粒組成的二硫化鉬（MoS2）薄膜制成的光電探測器顯示出近紅外吸收，器件具有高光敏性（>300 mAW?1） 以及快響應速度（124 μs）。這項研究為液相合成各種TMD薄膜奠定了堅實的基礎。

按照我的理解就是這個方法可以在秒級的短時間內實現對可控層數的二維材料的制備，大大的提高的材料制備的效率，制備的晶體質量有待進一步提高，也就意味著二維材料“微波”制還有很多的研究空間，上限很高。感慨自己離微波設備又遠了一些，若是早些看到這篇文章展開這方面的實驗工作，嘗試在材料制備的路上多走走，摸索摸索，說不定能有不錯的材料合成成果。

要在襯底上生長薄膜，必須限制材料的三維生長。

在此，我們利用微波輔助選擇性加熱基板（圖1a）。當前體溶液被導電襯底覆蓋時，襯底吸收的微波能量會迅速提高襯底溫度。升溫速率（dT/dt）是電導率（σ）、厚度（l）和基底面積的函數。如果襯底溫度（Tsub）高于前驅體熱分解的臨界溫度（Tc），而前驅體溶液溫度（Tsol）低于Tc，則TMD薄膜只能在襯底表面上形成。

由于在這種情況下，本體溶液中沒有晶體形成，因此在薄膜合成后，可以通過溶劑清洗去除溶液相。

圖1實驗設計與TMD薄膜的合成。a）導電基地的微波加熱及其利用前驅體溶液形成TMD薄膜的示意圖，在本體溶液中無任何反應。Tsub、Tsol和Tc分別是S1基底溫度、電解質溶液溫度和前體熱解的臨界溫度。b） 直接在p++Si晶圓上合成薄膜的示意圖。c） 單層WSe2薄膜的光學顯微圖像。

將其轉移到300 nm SiO2/Si晶片上以增強色差。上部插圖顯示單層WSe2薄膜（1.5×1.5 cm2）的樣品，比例尺：1 cm。d） AFM圖像和WSe2薄膜的高度分布。e）MoS2、MoSe2、WS2和WSe2薄膜的拉曼光譜。

圖4 MoS2薄膜的能帶圖和光響應。a） 根據UPS數據推導出的MoS2薄膜能帶圖示意圖。請注意，圖中使用的帶隙能量（Eg）是圖S10“支持信息”中計算的光學帶隙。b） 不同功率（1–100 μW）下，光電探測器在黑暗和光照（λ=633 nm）下的電流（I）–電壓（V）特性。c、 d）光譜EQE和光電探測器的相應計算光響應曲線。e） 在三種不同激光源（λ=488、532和633 nm）的重復開關照明下，光電探測器光開關特性的穩(wěn)定性。偏壓（2 V）和照明功率（100 μW）保持恒定。f） 時間分辨光電流測量顯示，響應時間（τr）為124 μs，衰減時間（ηd）為487μs。

審核編輯：劉清