ACS Nano：中科院半导体所-异质结一步生长及缺陷诱导生成理论

【引言】

低维度材料（如0D、1D、2D）制备异质结构的使用打开了探索更加有趣的物理性能和更全面的电子工业的大门。最近，2D/2D异质结构被广泛的研究（通过转移技术、CVD生长等）和应用，其中最热门的是单原子厚度石墨烯和过渡金属硫化物，包括石墨烯/MoS2，WSe2/MoS2，和 WS2/WSe2。与此相反，关于1D/2D异质结构的调研依然是个挑战并至今相关报道依然很少，关于1D/2D异质结构的相关理论也还没有很好的建立。

【成果简介】

最近，中科院半导体研究所的李京波研究员（通讯作者）和魏钟鸣研究员（通讯作者） 等人阐述了一种通过CVD法在1D-Bi2S3纳米线和单层2D-MoS2的基面上一步生成异质结的方法。在研究过程中，研究者们尝试了各种方法，结论表明在异质结构中Bi2S3纳米线和MoS2片层是独立生长的而不是形成BixMo1−xSy合金，这是因为它们二者之间晶格结构差异较大。以Co为核心缺陷诱导法是制备1D/2D异质结的重要模型且在这些学者的实验中被系统研究和证实了的有效方法。这种1D/2D异质结构可制备和用于电子/光学器件例如场效应晶体管、光电探测器等，并且这说明他们在电学性能还能有更多的设计和应用。

这种直接生长的纳米结构将会帮助我们更好地理解1D/2D异质结的独特结构及发觉器件功能化的潜在应用。

【图文导读】

图1：Bi2S3/MoS2异质结构的制备及其形态

（a）异质结构的制备过程，其中MoO3 和Bi2O3的混合物作为固体源和硫蒸气在高温下反应

（b）异质结构在SiO2/Si基底上的生长模型，其中Bi2S3 纳米线位于MoS2纳米片层上

（c）生长在SiO2/Si基底上典型的1D-Bi2S3/2D-MoS2异质结构SEM图

（d）从左到右相应为纳米结构的光学、SEM及AFM高度和晶相图

（e）纳米线和三角片层边缘的夹角统计图，其中省略部分表示夹角超过30度的部分。

图2 ：通过XPS方法做的元素分析和微尺度AES测量

（a-c）：在SiO2/Si基底上生长的样品的XPS图谱，证明表面有MoS2和Bi2S3相存在

（d-f）S、Mo、Bi的微尺度奥格图谱，从中我们可以看到三角形纳米片层由Mo和S原子组成，纳米线由Bi和S组成

（g）相应于(d−f) 中MoS2/Bi2S3异质结构的SEM图

（h）图g中1点（纳米线）和2点（三角形纳米片层）的详细的奥格图谱，其中在纳米片层的图谱中Bi的峰明显出现。

图3 ：Bi2S3/MoS2异质结的拉曼和PL分析

（a）其中黑线代表在d图中的黑点处的拉曼光谱，红线代表通过CVD法单独生长的纯 Bi2S3纳米线的拉曼图谱

（b）绿线代表在d图中绿点处样品的拉曼光谱，红线代表通过CVD法单独生长的纯MoS2纳米片层的拉曼谱线

（c）图d中绿点处样品的光致发光图谱

（d）用于测拉曼光谱的Bi2S3/MoS2异质结的光学影像图

（e、f）在404.4和236.0 cm−1处各自的拉曼强度图，测量条件为室温下532nm激光激发

图4  ：MoS2 纳米片层 和Bi2S3纳米线的原子结构

（a，b）异质结中纳米片层的SAED模式和HR-TEM图像，其中的蜂巢状结构和MoS2晶格匹配很好

（c）MoS2纳米片层的最佳晶格结构

（d）异质结中Bi2S3纳米线的SAED图。其精确的晶格基面可用于在基面上测量点之间的距离和角度，其中（001），（021），（020）晶面是可以准确划分的

（e）纳米线的高分辨率TEM图像及其大尺度TEM图像。纳米线的生长方向在d，e图中可以划分为[001]

（f）Bi2S3.斜方晶体原理图

图5： 通过AFM表征的Bi2S3/MoS2异质结的接触和成核条件

（a）被探针划过之前和之后的异质结的光学影像，其中纳米线的一半被划去，使得基底得以暴露出来

（b）在a中红色框内区域的放大AFM图，其中用绿色虚线圆圈出来的是成核区域，蓝色虚线框内是被Bi2S3纳米线覆盖后暴露的区域。底部右边的插图表示的是沿着黑色线的高度剖面，它说明除了成核区域外纳米线和纳米片层之间没有联系

（c）b中相同区域的AFM相图，其中绿色虚线圆圈表示SiO2基底上的Bi2S3纳米线及与其相连的一部分成核区域的MoS2纳米片层被去除的区域

图6 ：通过HR-TEM表征的异质结的成核区域及通过第一原则理论获得的异质结能量等级

（a）像转移到TEM网格上的MoS2 片层的光学图

（b）MoS2纳米片层的HR-TEM图像在a中红色A区域，左下角的插图表示TEM形态的FFT模式

（c，d）在a图中红色字母B区域中的成核位点的HR-TEM形态

（e） 有单个S原子空缺（表示为红色圆圈）的MoS2超晶胞的原理图，其中黄色和灰色分别表示S和Mo原子

（f，g）位于常规S原子（区别于e中超级晶胞中的S空位和缺陷）之上的Bi原子的最优模型

（h）通过第一原则理论得到的e-g系统的能量等级比较

（i）有一个Mo（蓝色）和两个S（红色）缺位的MoS2超晶胞示意图

（j，k）位于常规S原子（区别于i中超级晶胞中的1Mo-2S缺位）之上的Bi原子的最优模型

（l）i-k的能量等级对比图

文献链接：Co-nucleus 1D/2D Heterostructures with Bi2S3 Nanowire and MoS2 Monolayer: One-Step Growth and Defect-Induced Formation Mechanism（ACS Nano, 2016, DOI:10.1021/acsnano.6b04952 ）

本文由材料人电子电工学术组王小瘦供稿，材料牛整理编辑。

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