近日，济南大学逄金波-刘宏教授团队、德国德累斯顿工业大学Gianaurelio Cuniberti教授团队以及德国莱布尼茨固态与材料研究所Mark H Rummeli教授团队通力合作，研究探索，使用预埋籽晶的策略，对在Si/SiO₂衬底上WSe₂的CVD合成策略做了重新定义，并撰写论文对实验进行了描述，于学术期刊InfoMat发表，文章的共同一作为张姝、逄金波、程绮琳、杨烽。
石墨烯的发展引起了各种具有独特物理和化学性质的新型二维功能材料，如类石墨氮化碳、过渡金属碳/氮化物(MXene)、过渡金属硫属化合物(TMDCs)、黑磷、六方氮化硼、金属有机框架、共价有机框架、无机钙钛矿有机-无机杂化钙钛矿。
其中，TMDCs由于其高电荷迁移率和电化学活性，在半导体物理和能量转换器件中显得有很高地位。大多数TMDCs为n型导电。二维材料范德华异质结的重要应用是光电子器件，需要组成p-n结来实现器件的结构，所以，迫切需要一种p型材料来组装p-n结。二硒化钨(WSe2)是为数不多的p型电荷传输的选择之一，这使其成为一种重要的二维半导体材料。事实上，WSe2已经被用于光电探测器、场效应晶体管和p-n二极管。此外，WSe2和其他TMDCs之间的堆叠拓宽了范德化异质结构的种类以及器件应用。
WSe2的性能高度依赖于其层数，如在其体材料变薄到单层，其带隙由间接带隙转变为直接带隙。因此，单层WSe2由于存在直接带隙而具有较高的光电子转换效率。的确，单层WSe2的光致发光谱(PL)量子产率达到最大。但少层WSe2的PL强度随层数的增加而降低。在半导体上辐照共振波长的光可以提高光电转换的效率。与过渡金属硫化物相比，单层WSe2晶体包含一个更窄的带隙(大约1.63 eV)。因此，它可以检测到全波段的可见光(1.64–3.19 eV)。因此，精确控制合成的WSe2的层数具有重要意义。此外，WSe2的合成需要高质量、高合成效率和短生长时间等来满足低成本大规模生成的要求。
有几种获得单层WSe2的方法。首先，机械剥离和有机溶剂剥离可以产生单层纳米片，其畴尺寸小，厚度分布不均匀。其次，分子束外延可以在大尺寸上制备单层薄膜，但耗时较长，外延设备的采购成本高昂。第三，钨金属薄膜通过溅射和真空硒化形成了WSe2的全覆盖薄膜。但是薄膜是由纳米晶畴组成的，它们的厚度通常是几纳米或几十纳米。此外，脉冲层沉积可以制备少层WSe2的全膜。最后，化学气相沉积(CVD)被认为是制备大面积、高质量单晶WSe2的最佳方法之一。
通常，表面介导的反应导致多层堆叠或第二层岛状的形成。事实上，金衬底和盐促进的WO2Cl2中间体提高了生长速率和平均尺寸，以改善传质过程中的动力学。动力学控制可以通过提高前驱体浓度，即含高挥发性含钨前驱体的低压CVD来促进生长速率。从热力学的角度来看，这两种反应，即横向延展和垂直生长，在反应途径中可能具有相近的能量势垒。因此，层间的堆积和尺寸的延展两种反应的激活能差别不大。事实上，多层结构的存在是相当常见的。通常，WSe2连续堆叠在单层上最终导致多层的生长。因此，迫切需要解决在大面积内获得连续单层WSe2薄膜的层数控制问题。
为探索了大面积单层二硒化钨的制备方法，济南大学逄金波-刘宏教授团队与德国德累斯顿工业大学GianaurelioCuniberti教授团队以及德国莱布尼茨固态与材料研究所Mark H Rummeli教授团队合作，使用了预埋籽晶策略，来重新定义了在Si/SiO2衬底上的WSe2的CVD合成策略（如图一所示），基于预埋籽晶策略合成的WSe2单层膜已经扩展了亚厘米级，具有批量生产晶圆级二硒化钨的潜力。
图一预埋籽晶策略合成的全覆盖单层二硒化钨及电子、光电器件应用
比较了WSe2的预埋籽晶策略和无处理的沉积情况，结果表明，本文的策略可以实现在Si/SiO2衬底上合成大面积单层WSe2薄膜。本文使用浸蘸法（dip coating），将氧化钨纳米颗粒沉积在基底上，称为预埋籽晶策略(在基底表面合成均匀单层WSe2膜的关键)。在0.03 g·L−1 WO2.9乙醇溶液中预埋籽晶，促进了化学气相沉积中WSe2的最佳合成。合成膜中的WSe2晶畴多为六边形，横向尺寸为134±32 μm，减少了多边形晶畴的总周长（即晶界边长的积分）。WSe2薄膜表现出了非凡的电子器件性能，例如，晶体管载流子迁移率为276 cm2 ·V−1 ·s−1，开/关电流比为107。经过6个月的存放，基于WSe2的光电探测器保持了良好的光响应性和长期稳定性。由于非均匀成核机制，成核机制是形核密度得到精细调控的原因。此外，热力学研究还为WSe2的成核和横向生长提供了激活能。该方法可以用于指导二维材料表面上通过弱范德华力结合的二维材料合成，即高结晶度的衬底，以改善形核分布和排列。这项工作在与硅基技术兼容的晶圆规模的均匀WSe2生产中具有广泛的应用前景。
该工作研究论文“High-performance electronics and optoelectronics of monolayer tungsten diselenide full film from pre-seeding strategy”于InfoMat在线发表（DOI: 10.1002/inf2.12259）。
通讯作者简介：
刘宏，济南大学、山东大学，教授、博士生导师，研究方向为干细胞的生物医学应用、纳米材料能量转换与存储、微纳传感等。主要研究成果，在包括Adv. Mater., Nano Letters, ACS Nano等学术期刊上发表SCI文章300余篇，其中，影响因子大于10的近50篇，个人文章总被引次数超过21000次，H因子为68，30余篇文章被Web of Science的ESI选为“过去十年高被引用论文”(Highly Cited Papers (last10 years))，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文，2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018、2019年和2020年连续三年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。 Email: hongliu@sdu.edu.cn
逄金波，济南大学，副研究员、硕士生导师。研究方向二维材料的晶圆级可控合成和范德华异质结构及其在电子、光电子器件上的应用。以项目负责人主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多项课题。在包括Adv. Energy Mater., InfoMat,ACS Nano等学术期刊上发表 SCI 文章 50 余篇，被引2670余次，H 因子为 25，获授权发明专利1项。Email:ifc_pangjb@ujn.edu.cn
第一作者简介：
张姝，济南大学，高分子专业2017级本科生，于2018年进入前沿交叉科学研究院进行课外科研活动，在包括InfoMat、Nano Research、AdvancedMaterials Technologies、Nanotechnology等期刊发表（或已接收）4篇第一(或共一)作者的SCI论文，合作发表InfoMat、ACS Sensors等SCI文章2篇。现于国家纳米中心硕博连读。
程绮琳，济南大学，化学工程与技术专业2018级硕士生。方向是二硒化钨的大面积合成及光电子应用。在包括InfoMat、Small Methods、Applied Materials Today、AdvancedMaterials Technologies等期刊发表5篇第一(或共一)作者的SCI论文，合作发表Nano-Micro Letters、Nano Research、ACS Applied Materials & Interfaces、ACS Sensors等SCI文章4篇。现于芯片制造公司从事研发工作。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/inf2.12259
2021年6月30日，科睿唯安(Clarivate)正式发布2021年科技期刊引证报告(Journal Citation Reports)，InfoMat获得首个影响因子--25.405！
该中文资料发表于微信公众号Mat+，网页链接为：
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