日本冈山大学研究生院自然科学研究科的研究生桥本龙季、冈山大学学术研究院自然科学学域的铃木弘朗助教、三泽贤明助教、鹤田健二教授和林靖彦教授，以及东京都立大学研究生院理学研究科物理学专业的宫田耕充副教授等人组成的联合研究团队，通过利用封闭空间的新化学气相沉积（CVD）法，成功地以大面积和高品质合成了原子厚度级别的半导体材料“过渡金属二硫化物”（TMDC）。
图：巨大单晶WS2生长出来的硅晶圆
(a) TMDC在微型反应器内的生长示意图。(b) 大尺寸单层WS2晶体的显微镜观察照片。(c) 巨大单层结晶WS 2生长的硅片照片。(d)WS2/MoS2面内异质结构的显微镜观察照片。插图为WS 2 /MoS 2面内异质结构的示意图。（供图：冈山大学研究生院自然科学研究科 桥本龙季、铃木弘朗）
单层厚度相当于3个原子的层状半导体材料TMDC作为仅单层具有发光特性的直接跃迁型半导体而闻名，此外，这种单层TMDC还具有出色的机械柔韧性、光学特性和电气特性，有望应用于新一代光电子元器件。然而，采用固体原料的传统CVD法获得的TMDC晶体尺寸较小，结晶度较低，被认为是导致器件性能降低的原因，因此需要开发能大面积合成高结晶度TMDC晶体的方法。
为此，研究团队此次的目标是合成采用二硫化钨（WS 2，TMDC的一种）的大面积高品质晶体。为实现稳定的TMDC生长环境，利用重叠两张合成基板构建的微电抗器形成了狭窄的封闭空间，构建了外部原料供给受限的生长环境。另外，作为钨的原料，预先将高温下会变成液体的金属盐（Na 2 WO 4）涂到生长基板上，并封入微电抗器内，用于WS 2的硫采用供给控制性优于常规固体原料的有机硫，通过严格控制供给量，高精度控制了单层WS 2的合成。
研究团队通过精确控制原料供给量的平衡，获得了超过500μm的大型完全单层WS 2晶体，而利用传统CVD法只能获得约数十μm的晶体。另外，通过调整条件，还获得了可以目视确认的1mm以上的大晶体。此外，通过组合两种金属盐（Na 2 WO 2和Na 4 MoO 4），还可以合成两种TMDC（WS 2和MoS 2）在平面内相互接合的平面内异质结构。
研究团队调查了WS 2的生长机制，根据晶体尺寸随着合成温度而变化、特异性晶体生长模式的分形生长以及原料表面扩散能的理论计算等判断，在微电抗器内，原料扩散呈速率控制状态，按照表面扩散速率生长。研究团队针对不同温度合成的WS 2的发光（光致发光：PL）特性，调查晶体品质发现，在结晶度较低的TMDC中，PL峰向低能（长波长）侧偏移，半峰宽增大，发光强度也变弱。系统地调查不同合成温度下的PL特性及其均匀性，结果确认到，在最佳合成温度（820℃）下，可获得面内均匀且具有高品质的PL特性，而温度过高或过低时，晶体品质和均匀性都较低。
铃木助教表示：“我们认为，利用封闭空间进行纳米级材料的合成具有各种自由度。我们希望以独特的创意挑战新材料的合成，例如可以同时封入多种原料，也可以组合不同的合成基板。我们还将挑战新的技术，用于通过设计生长空间来控制材料的特性。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：ACS Nano
论文：Surface Diffusion-Limited Growth of Large and High-Quality Monolayer Transition Metal Dichalcogenides in Confined Space of Microreactor
DOI：10.1021/acsnano.2c05076
URL：pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c05076
