大面积原子层沉积（ALD）生长的MoS2单层及MoS2/WS2异质结构的二次谐波特性，这些异质结构具有亚毫米级的晶体取向

《Advanced Materials Interfaces》：Second Harmonic Characteristics of Large-Area ALD-Grown MoS2 Monolayers and MoS2/WS2 Heterostructures with Sub-Millimeter Crystalline Orientation

本文通过原子层沉积（ALD）在蓝宝石衬底上制备了具有高晶体取向均匀性的MoS?单层，并整合自旋涂覆的WS?形成异质结构。偏振分辨SHG显微镜显示，MoS?单层在180×180 μm2区域内取向偏差小于2度，主导了异质结构的SHG响应，尽管WS?层为多晶结构。该研究验证了ALD在制备大面积均匀取向TMDC单层方面的潜力，并揭示了界面排列机制。

　　在当前的科学研究中，二维过渡金属二硫属化合物（TMDCs）因其独特的物理性质而受到广泛关注。这些材料在纳米电子和光电子领域具有巨大的应用潜力，尤其是在柔性光子器件和纳米级电子设备中。MoS?（二硫化钼）和WS?（二硫化钨）是其中最常被研究的两种TMDCs，它们在单层状态下可以表现出直接带隙半导体特性，从而与光产生强烈的相互作用。这种特性使得它们成为研究非线性光学效应的理想材料，其中第二谐波产生（SHG）作为一种强大的探测手段，被广泛用于分析TMDCs的结构和电子特性。

研究团队通过原子层沉积（ALD）技术在蓝宝石衬底上生长了MoS?单层，并将其与通过旋涂法沉积的WS?薄膜结合，形成MoS?/WS?异质结构。研究的重点在于探索这种异质结构中晶体取向的一致性。尽管WS?层通常表现出多晶特性，但通过SHG显微镜的测量，研究发现该异质结构在180 × 180 μm2的区域内具有极其一致的晶体取向，其偏差小于2度。这一结果表明，ALD生长的MoS?单层具有出色的取向均匀性，即便在大规模薄膜制备中也能够保持这种特性。

为了进一步确认这一发现，研究团队通过多种手段对材料的物理性质进行了表征。其中包括使用原子力显微镜（AFM）分析薄膜厚度，通过拉曼光谱验证材料的层数和晶格结构，以及通过光致发光（PL）光谱研究材料的光学特性。在这些表征中，研究发现MoS?单层具有清晰的A和B激子峰，而WS?薄膜则显示出一定的厚度变化，表明其多晶结构。然而，当将WS?薄膜覆盖在MoS?单层上时，其SHG响应并未改变MoS?的取向，这表明WS?的取向对异质结构的SHG信号贡献较小，而主要由MoS?层主导。

这一发现不仅揭示了ALD技术在制备大面积、均匀取向的TMDC单层方面的强大能力，也为研究TMDC异质结构中界面排列机制提供了新的视角。研究团队进一步指出，尽管WS?层本身是多晶的，但其部分区域可能与MoS?层存在一定的晶格匹配，从而在SHG信号中表现出局部取向一致性。这一现象可能与界面处的相互作用有关，例如范德华力或局部应变效应，这些作用可能引导WS?纳米晶在沉积过程中实现一定程度的自对齐。

在进一步的实验中，研究团队通过SHG显微镜对大面积区域进行了测量。他们发现，MoS?单层的SHG信号在整个区域内呈现出高度一致的六花瓣图案，这表明其具有均匀的平面晶体取向。对于MoS?/WS?异质结构，虽然WS?层表现出多晶特性，但其SHG信号仍然保持与MoS?层一致的取向，进一步支持了MoS?在异质结构中起主导作用的观点。此外，研究还发现，通过旋涂法沉积的WS?层在某些区域可能表现出局部取向匹配，从而对SHG信号产生一定贡献。

这些结果对于TMDC异质结构的研究具有重要意义。以往的研究多集中在小面积样品或部分结晶性的材料上，而本研究首次在大规模薄膜中实现了高度均匀的晶体取向。这不仅有助于理解TMDC材料在异质结构中的界面排列机制，也为未来在柔性电子、光电子和量子器件等领域的应用奠定了基础。同时，SHG显微镜作为一种快速、非破坏性的工具，能够有效探测TMDC异质结构中的晶格排列情况，为材料设计和器件集成提供了新的研究手段。

研究还指出，虽然旋涂法通常被认为会导致材料的随机取向，但在本实验中，WS?纳米晶在某些区域表现出一定的取向一致性，这可能是由于MoS?单层提供的模板效应。这种模板效应可能在界面处引导WS?纳米晶的自组装过程，从而实现局部晶格匹配。然而，这种效应并不适用于整个异质结构，因为WS?层在整体上仍表现出多晶特性，这表明其取向控制仍面临挑战。

此外，研究团队还讨论了未来的研究方向。他们提到，可以通过进一步的密度泛函理论（DFT）计算和透射电子显微镜（TEM）的截面分析，深入研究MoS?对WS?沉积过程的模板效应。同时，改进旋涂技术、引入可控退火策略或对衬底进行图案化处理，可能有助于提高TMDC异质结构中取向选择性。这些方法的优化将有助于实现更高质量的TMDC异质结构，从而推动其在高性能光电子器件中的应用。

总体而言，这项研究不仅验证了ALD技术在制备大面积、均匀取向的TMDC单层方面的可行性，还揭示了异质结构中界面排列的复杂性。通过结合ALD和旋涂技术，研究团队展示了如何在保持MoS?单层取向一致性的前提下，实现与WS?的异质集成。这种技术的结合为未来开发具有高度取向一致性的TMDC异质结构提供了新的思路，并且为深入研究TMDC材料的非线性光学特性提供了实验基础。