美国本田研究所公司Sci. Adv.：镍颗粒调控双层二硫化钼纳米带的生长宽度

【引言】

二维（2D）材料的宽度降低到纳米带（NRs），会形成准一维纳米结构，这能够为电子行为工程带来额外的自由度。石墨烯NRs具有可控边缘结构、手性和超晶格，产生了带隙的开放和调整、金属性、拓扑量子相和库仑阻断（CB）。但是缺乏直接合成的宽度范围低于30 nm且保留固有特性的单个NRs，所以宽度限制和边缘效应所引起的独特特性在二维TMD NRs中还没有得到验证。因此探索控制单个二维TMD NRs宽度的方法，对于进一步深化TMD的应用至关重要。虽然亚10 nm单层MoS₂通道的场效应晶体管（FET）已经通过嵌段共聚物辅助的MoS₂薄片实现。但是所测量的电性能是多个亚10 nm通道长度的集体行为，因此宽度限制的影响没有得到反映。最近，通过盐辅助的气液固（VLS）生长，以及衬底或壁架导向的外延工艺，已经实现了宽度低至50-100 nm的单层MoS₂带的直接生长。然而，由于宽度仍然大于50 nm，这些MoS₂带并没有显示出与片状物的明显区别。此外，与片状材料相类似，二维材料的双层NR在层间堆积模式和扭曲角度方面有另一个自由度的可调性，这为发现材料的新特性提供了机会。

【成果简介】

近日，美国本田研究所公司的Avetik R. Harutyunyan研究员（通讯作者）等人发现，镍纳米粒子既能促进第一层二硫化钼的异质成核，又能通过气液固（VLS）机制催化第二层向外延生长，形成宽度由纳米粒子直径控制的双层纳米带。模拟实验进一步证实，与传统的非催化的片状生长相比，VLS控制的纳米带生长速度要高出传统方法几个数量级。在温度高达60 K下，在纳米带的传输特性呈现宽度依赖的库仑阻断振荡，证明了这种合成策略对未来纳米电子学具有很高的价值。相关成果以“Nickel particle–enabled width-controlled growth of bilayer molybdenum disulfide nanoribbons”发表在Science Advances上。

【图文导读】

图1双层MoS₂NRs的生长和结构

（A）SEM图像显示每个带状物是由一个宽的底层和一个窄的顶层组成的双层，由一个Ni纳米粒子止；

（B，C）经紫外线臭氧和KOH处理后的MoS₂NRs的SEM图像；

（D）MoS₂NRs的AFM图像；

（E）双层MoS₂NR的Raman光谱；

（F）HAADF-STEM图像；

（G-I）MoS₂双层带的原子分辨率HAADF-STEM图像。

图2生长机理研究

（A）Mo、Ni、Na和S的AES元素Mapping图；

（B）双层MoS₂NR终端区域内Mo、Ni和S的AES元素Mapping图；

（C）湿润Ar流下MoO₂+Ni+NaBr混合物沉积的单个粒子的AES元素Mapping图；

（D）不同前体混合物的DSC曲线；

（E）生长的双层MoS₂带的SEM图像；

（F）底层的宽度（W）作为其长度（L）的函数。

图3模型和DFT计算

（A）双层MoS₂条带的双向生长示意图；

（B）MoS₆在Ni（111）表面向MoS₂单元催化分解的能量图。

图4基于MoS₂NR的双层FET器件的电气性能

（A）在300 K和15 K下，偏压为100 mV时，通道长度400 nm的宽度8 nm的NR器件传输曲线；

（B）在300 K和15 K的不同背栅电压下，器件的输出特性；

（C）在15 K的30-mV偏压下，宽度（420-10 nm）、通道长度为200 nm NR的传输曲线；

（D）在15-60 K温度下，宽20 nm NR器件的传输曲线。

【小结】

本文发现镍纳米粒子既能促进第一层二硫化钼的异质成核，又能通过气液固（VLS）机制催化第二层向外延生长，形成宽度由纳米粒子直径控制的双层纳米带。并且，通过适当地选择金属粒子的组成和生长材料的组合，有可能应用于其他TMD或二维系列，这将丰富NR平台的量子电子学。

文献链接Nickel particle–enabled width-controlled growth of bilayer molybdenum disulfide nanoribbons（Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.abk1892）。

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