热诱导二维四元过渡金属硫化物“合金-异质结构”转化

qiuyuan

原始二维过渡金属硫化物(2D TMDs)的带隙固定不易调控，限制了其潜在应用。研究人员发现，掺杂/合金化方法可有效调控带隙(如Mo1-xWxS2、MoS2(1-x)Se2x、WS2(1-x)Se2x和Mo1-xWxSe2)。另一方面，TMD异质结构能够产生不同2D材料(如MoS2/WSe2)之间的界面，并提供控制界面处激子、光子和声子的产生、限域和传输平台，进而设计用于超快电荷传输的独特器件。由于熵混合通常有利于合金的形成，因此异质结构的直接生长十分具有挑战性。此外，引入其他组分增加了带隙调控的可能性。对于某些组合物，合金相不稳定并且可以分解成异质结构，从而使异质结构在热力学上稳定。尽管研究人员已经证明这一概念适用于III-V半导体，但在2D TMD领域尚缺乏相应的研究。

近日，美国莱斯大学Pulickel M. Ajayan教授、Chandra Sekhar Tiwary教授、Boris I. Yakobson教授、美国橡树岭国家实验室Jordan A. Hachtel教授等煅烧四元2D TMD合金形成横向异质结构，并在Adv. Mater.上发表了题为“Thermally Induced 2D Alloy-Heterostructure Transformation in Quaternary Alloys”的研究论文。作者通过光致发光和拉曼光谱观察到材料中的相分离，并通过扫描透射电子显微镜(STEM)检测横向异质结构的突出界面。随组分变化的转化是由于四元合金中存在溶解度间隙引起的。之后，作者从基于密度泛函理论的倒易解模型中获得具有溶解度间隙的相图，并通过实验得到了2D原子层系统中组成驱动的异质结构形成的直接证据。

综上所述，作者证实对四元Mo1-xWxS2(1-y)Se2y合金进行简单煅烧可使其转化为MoS2(1-x)Se2x/WS2(1-y)Se2y横向异质结构，上述异质结构具有几乎原子级清晰的界面。作者通过旋节线分解解释了这种相分离现象，应归因于溶解度间隙的存在。根据实验和DFT计算的相图所示，溶解度间隙有利于从合金到异质结构的转化， 这一转化现象在所有亚稳性2D合金中是常见的。将可调合金化/掺杂方法与2D材料中异质结构的器件特性相结合产生了MoS2(1-x)Se2x/WS2(1-y)Se2y结构，其有望在柔性电子器件等领域中具有广泛的应用。

文献链接：Thermally Induced 2D Alloy-Heterostructure Transformation in Quaternary Alloys (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201804218)