近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)前沿學(xué)部材料科學(xué)與工程學(xué)院汪桂根教授團(tuán)隊(duì)在二維二硒化鈀薄膜領(lǐng)域研究取得新進(jìn)展，提出了一種自限制液相邊緣外延(SLE)的低溫生長(zhǎng)方法，成功制備了單晶疇尺寸超過(guò)30微米(μm)、橫向尺寸達(dá)厘米級(jí)的高質(zhì)量二維二硒化鈀薄膜。該成果以《自限制液相邊緣外延法低溫生長(zhǎng)厘米級(jí)二維硒化鈀薄膜》(Low-Temperature Growth of Centimeter-Sized 2D PdSe2 by Self-Limiting Liquid-Phase Edge Epitaxy)為題發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society)。
 

　　二維半導(dǎo)體材料因其優(yōu)異的物理化學(xué)特性，如原子層厚度、表面無(wú)懸掛鍵及量子尺寸效應(yīng)，成為微型化、低功耗、高性能半導(dǎo)體器件和集成電路的理想材料。其中二維硒化鈀(PdSe2)因其高電子遷移率(> 1000 cm2/[V·s])、可調(diào)帶隙(0~1.4 eV)以及優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性，成為研究的重點(diǎn)，在光電領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。大面積、高質(zhì)量二維二硒化鈀材料的可控合成，對(duì)未來(lái)光電器件的發(fā)展至關(guān)重要。目前，二維二硒化鈀的合成主要采用機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)等方法，其中化學(xué)氣相沉積法仍是合成二維二硒化鈀及其他二維材料的最有效途徑之一。然而，這些方法合成的二維二硒化鈀薄片通常小于10微米，且通常需要較高的生長(zhǎng)溫度和低壓環(huán)境，限制了其廣泛的應(yīng)用。因此，在低生長(zhǎng)溫度時(shí)合成大面積、高質(zhì)量的二維二硒化鈀晶體，仍然是一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。
 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種自限制液相邊緣外延低溫生長(zhǎng)方法，用于合成高質(zhì)量、均勻且橫向尺寸達(dá)厘米級(jí)的二維二硒化鈀薄膜，其單晶疇區(qū)域尺寸超過(guò)30微米。前驅(qū)體溶液被旋涂在襯底上形成小液滴，并在高溫下脫水轉(zhuǎn)化為前驅(qū)體顆粒。與氣化前驅(qū)體不同，這些固定顆粒參與反應(yīng)，防止形成大核。顯微觀察表明，這些顆粒被單層消耗，為二硒化鈀少數(shù)層的生長(zhǎng)提供了生長(zhǎng)源。在液相前驅(qū)體中加入鹽酸(HCl)引入氫離子，結(jié)合理論計(jì)算和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)測(cè)試表明，氫離子與液相前驅(qū)體結(jié)合，抑制了二硒化鈀晶體的垂直生長(zhǎng)，同時(shí)促進(jìn)了其橫向擴(kuò)展。
 

　　基于該少層二硒化鈀薄膜的光電探測(cè)器，在入射波長(zhǎng)405~1650納米(nm)的范圍內(nèi)具有良好的探測(cè)響應(yīng)特性，其中在入射波長(zhǎng)1064納米光照時(shí)的響應(yīng)率可達(dá)6262.37 安培每瓦特(A·W-1)，探測(cè)率約為1012 瓊斯(Jones)，響應(yīng)時(shí)間為37.1微秒(μs)，表明了其在寬光譜光電探測(cè)領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。該研究為在低溫條件下合成大面積、少層過(guò)渡金屬二硫化物(TMD)提供了一種重要且有效的策略，進(jìn)一步展示了其在未來(lái)電子和光電子技術(shù)中的廣闊應(yīng)用前景。
 

圖1 采用液相邊緣外延生長(zhǎng)法合成大面積二硒化鈀薄膜的過(guò)程示意圖及表征分析
 

　　圖2 在二氧化硅/硅(SiO2/Si)襯底上生長(zhǎng)厘米級(jí)的少層二硒化鈀薄膜及生長(zhǎng)機(jī)理揭示
 

圖3 基于二維二硒化鈀薄膜的寬波段光電探測(cè)器及其性能比較
 

　　哈工大深圳校區(qū)為論文第一完成單位。哈工大深圳校區(qū)博士畢業(yè)生劉明強(qiáng)為論文第一作者，汪桂根教授和新加坡南洋理工大學(xué)劉政教授為論文通訊作者。該項(xiàng)目獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和廣東省科技計(jì)劃等項(xiàng)目支持。