北理工團隊在低維金屬硫族/磷硫族化合物的組成與相工程方面取得重要研究進展
發(fā)布日期：2022-06-27 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
近年來,，二維（2D）材料因其豐富的物理性質而引起廣泛關注,，特別是為探索二維尺度下的磁性、超導,、拓撲和激子等新奇物性提供了材料基礎，這使得2D材料在電子學,、光電探測,、自旋電子學和量子科技等前沿領域有望引發(fā)技術革命。
為獲得高質量2D材料和實現(xiàn)其應用,，研究人員通過多種合成策略來實現(xiàn)不同2D材料的制備,，同時研究和調控其物理性質。合成方法主要包括常規(guī)化學氣相沉積方法(CVD),，MOCVD,，熔鹽輔助CVD等。雖然2D材料的制備和性質研究取得了長足的發(fā)展,，但是對于含有相同元素但組成不同,，或相同組成的不同相的過渡金屬硫族化合物（TMCs），如Fe基,，Cr基,，Mn基等：MX（四方，六方）,、MX2（四方,，六方）、M2X3,、M3X4,、M5X8（單斜,，三斜），以及三元磷硫化合物（TMPCs）的可控生長方面仍存在巨大挑戰(zhàn),。主要原因在于在制備過程中難以控制單一組成/單一相生長的同時而不出現(xiàn)其他組成/相,。因此，如何開發(fā)出可控的CVD方法,，實現(xiàn)單一物相/單一組成的可控制備,，是研究并調控其物理性質（如超導和鐵磁）和實現(xiàn)其應用的關鍵。
鑒于以上問題,，北京理工大學周家東,、王業(yè)亮、姚裕貴教授團隊和南洋理工大學劉政教授等首次聯(lián)合提出了競爭反應動力學的生長機制,，通過控制溫度和蒸氣壓,，實現(xiàn)了對化學氣相沉積過程單一相的成核和生長速率的控制，進而實現(xiàn)了67種包括不同組分/不同相的（MX,、MX2,、MPX和MPX3）TMCs和TMPCs及其合金與異質結的可控制備。重要的是,，F(xiàn)e基組成和相工程的實現(xiàn)為研究Fe基自旋電子學,，以及基于Fe基超導體的馬約拉納零能模等開辟了新的可能。磷硫化合物的首次CVD直接制備為進一步研究其反鐵磁特性及器件提供了材料基礎,。這是繼2018年開發(fā)的二維材料庫的普適性生長方法（Nature 556, 355 (2018)）后的又一普適性制備策略,。相關成果以 “Composition and phase engineering of metal chalcogenides and phosphorous chalcogenides”于 6月23日發(fā)表于國際頂尖學術期刊《Nature Materials》。
具體內容如下：以Fe基化合物的制備為例,，F(xiàn)e基的硫族二元化合物常見的包括FeX和FeX2,，而FeX和FeX2又包括四方相和六方相等；三元磷硫化合物同樣包括不同的組成如MPX,，MPX3等,。在成核生長過程中，不同組成和不同相之間相互競爭,。同時,，三元MmPnXz的生長過程更加復雜，其化學反應包括二元反應（MaXb ,、McPd 和 PX）和三元反應,，MmPnXz 的制備不僅需要控制三元成分生長的反應，同時需要避免形成二元MaXb,，PX和McPd,。另外，一些MaXb和MmPnXz具有非層狀結構,，非層狀的外延生長和島狀生長模式之間還會相互競爭,，為獲得原子層厚度的二維材料,，需要控制反應按照外延生長模式進行。
圖1 可控合成具有不同相和組成的 MaXb和MmPnXz 的動力學生長模式
傳統(tǒng)的生長方法側重于提高前驅物的蒸氣壓,，以促進產(chǎn)物的生成,。然而，這種策略使得不同組分/不同相在高溫下均發(fā)生反應并相互競爭,，無法實現(xiàn)單一組成/單一相的可控制備,。為了應對上述挑戰(zhàn)，需要通過調控化學反應過程只滿足單一組分/單一相的生長,。研究團隊開創(chuàng)性的提出了一種基于競爭反應的動力學生長機制,，使用大尺寸的金屬氯化物做為前驅體，實現(xiàn)蒸氣壓的調控,，進而調控其與S/Se/Te的溫度,，實現(xiàn)單一組成純相的生長。
圖2 所合成的2D TMCs 和TMPCs庫
基于該機制,，團隊成功地合成了60多種類型的2D材料,，其中TMCs 30種，TMPCs 21種,；大多數(shù)材料尤其是TMPCs,，從未見報道通過CVD方法合成。此外,，通過擴展該方法,，團隊還成功合成了其它基于不同相的三元過渡金屬(如Cr、Mn和Cu)硫族化合物,，進一步證明了該生長方法的普適性。
圖3 基于 3d 金屬的 2D 材料的生長機制
前驅體的尺寸機制分析：傳統(tǒng)CVD生長過程中采用小尺寸的FeCl2,，而小尺寸的FeCl2蒸氣壓較高,，在反應動力學上是不可控的；為了控制生長動力學并實現(xiàn)特定的化學反應,，不同于常規(guī)化學氣相沉積制備方法,，采用大尺寸的FeCl2做為前驅物，得以控制反應物蒸氣壓,，進而控制單一相的化學反應實現(xiàn)2D材料的生長：這樣就可以調節(jié)特定材料不同相生長的成核和外延生長的競爭反應,；進一步通過控制反應溫度，實現(xiàn)物質不同組成和相的可控制備,，從而獲得超薄的二維晶體,。
圖4 所合成的2D TMCs和TMPCs的STEM表征
根據(jù)實驗和模擬Z-contrast STEM圖像、EDS mapping和EELS結果綜合分析,，制備所得的大部分鐵基硫族化合物和TMPCs屬于5個不同的空間點群,，可劃分為5類:(1)P63/ mmc (非層狀六方/三角形FeX),；(2) P4/ nmm (層狀四方FeX)；(3) P3 ?m1(六邊形/三角形/梯形的層狀FeX2),；(4) Pa3 ?(非層狀FeS2納米線)和Pmnn(非層狀FeS2和FeTe2納米線),；(5) C2/m (MPX3, M = Mg, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ag, Cd或Zn)。以MPX3為例,，從結構上看,，單層MPX3的元胞由一個啞鈴狀P2X6和兩個M原子組成，形成每個M原子與6個X原子配位,，每個P原子與1個P和3個X原子配位的蜂窩狀結構,。當沿垂直方向堆疊時，MPX3層之間的面間位移打破了三重反轉旋轉對稱性,，產(chǎn)生了一個屬于C2/m空間群的單斜晶格,。STEM-ADF圖像沿[103]帶軸呈現(xiàn)六重對稱晶格，與多層MPX3的六方單層和單斜堆疊特征一致,。此外,，通過相應樣品Mn L2,3邊，F(xiàn)e L2,3邊,，Ni L2,3邊和Cd M4,5邊的EELS光譜確定了MPX3的元素組成,。
圖5 組分可調的Fe 基 TMCs的物理性質
更重要的，這些二維材料展現(xiàn)出新奇的物理特性,，使其成為基礎研究和實際應用的新興平臺,。研究表明，四方相FeX表現(xiàn)出超導特性,。FeS,、FeSe和FeTe的超導轉變溫度Tc值分別為3.3、7.3和11.0 K,。不同于FeX,，F(xiàn)eX2（FeS2）表現(xiàn)為鐵磁特性，其Tc值約為15 K,。此外,，F(xiàn)eTe2紅外探測器響應速度優(yōu)于大多數(shù)已報道的二維材料。這說明所合成不同組成的二維材料具有較高質量,，為進一步研究物理性能和構建異質結構如鐵磁/超導結等提供了平臺,。
該工作不僅為原子級薄的TMCs和TMPCs的合成開辟了一條新途徑，還展示了一種新穎的生長機制,，對全面理解二維材料的生長機制具有重要意義,。基于所提出的策略制備的具有可控相,、組成和異質結構的晶體將為探索包括二維相變,、二維鐵磁,、二維超導、馬約拉納束縛態(tài)和多體激子等在內的物理現(xiàn)象提供可能性,。
該工作得到了科技部重點研發(fā)計劃,、國家自然科學基金、海外高層次人才計劃和北京理工大學校創(chuàng)新基金等相關項目的支持,。
文章DOI：10.1038/s41563-022-01291-5
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