二维半导体合金的制备、结构和性质

doi:10.6023/A15030187

摘要/Abstract

原子层厚度的二维半导体材料因具有特殊的低维效应而被广泛研究. 面向光电器件应用, 需要可控调节二维半导体材料的能带结构, 包括带隙、价带/导带位置等. 合金方法是一种调控半导体能带的通用方法. 本综述介绍了近几年来二维半导体合金材料的研究进展, 包括材料的热力学稳定性、可控制备、结构表征和性质研究. 介绍的材料体系是过渡金属二硫族化物的单层合金材料, 金属元素主要是第六副族的Mo和W, 硫族元素主要是S和Se.

关键词: 二维半导体合金, 过渡金属二硫族化合物, 能带调控, 微区光谱, 纳米器件

Atomically thick two-dimensional (2D) semiconducting materials have attract broad interest because of their low-dimensional effect. Towards optoelectronic applications, 2D semiconducting materials with tunable band structures (such as tunable band gaps, conducting band and valence band positions) are favored. Alloying is a general approach to tune the band structures. Here, this review introduces the research progresses on 2D semiconductor alloys in recent years, including their thermodynamic stability, controlled preparation, structure characterization and property investigation. The transition- metal dichalcogenide monolayer alloys, mainly Mo, W metal elements and S, Se dichalcogenide elements is focused.

Key words: 2D semiconductor alloy, transition-metal dichalcogenide, band engineering, micro spectroscopy, nano device

引用此文

王新胜, 谢黎明, 张锦. 二维半导体合金的制备、结构和性质[J]. 化学学报, 2015, 73(9): 886-894.

Wang Xinsheng, Xie Liming, Zhang Jin. Preparation, Structure and Properties of Two-dimensional Semiconductor Alloys[J]. Acta Chim. Sinica, 2015, 73(9): 886-894.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

参考文献

[1] Song, X. F.; Hu, J. L.; Zeng, H. B. J. Mater. Chem. C 2013, 1, 2952.
[2]
(a) Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666.
(b) Chen, J.-S.; Wu, B.; Liu, Y.-Q. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 359. (陈集思, 武斌, 刘云圻, 化学学报, 2014, 72, 359.)
(c) Zhou, L.; Zhang, L.-M.; Liao, L.; Yang, M.-M.; Xie, Q.; Peng, H.-L.; Liu, Z.-R.; Liu, Z.-F. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 289. (周琳, 张黎明, 廖磊, 杨明媚, 谢芹, 彭海琳, 刘志荣, 刘忠范, 化学学报, 2014, 72, 289.)
[3]
(a) Wang, Q. H.; Kalantar-Zadeh, K.; Kis, A.; Coleman, J. N.; Strano, M. S. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 699.
(b) Sorkin, V.; Pan, H.; Shi, H.; Quek, S. Y.; Zhang, Y. W. Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 2014, 39, 319.
(c) Liu, X.; Xu, T.; Wu, X.; Zhang, Z.; Yu, J.; Qiu, H.; Hong, J. H.; Jin, C. H.; Li, J. X.; Wang, X. R.; Sun, L. T.; Guo, W. Nat. Commun. 2013, 4, 1776.
(d) Lin, J.; Cretu, O.; Zhou, W.; Suenaga, K.; Prasai, D.; Bolotin, K. I.; Cuong, N. T.; Otani, M.; Okada, S.; Lupini, A. R.; Idrobo, J. C.; Caudel, D.; Burger, A.; Ghimire, N. J.; Yan, J.; Mandrus, D. G.; Pennycook, S. J.; Pantelides, S. T. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 436.
[4] Pacilé, D.; Meyer, J. C.; Girit, C. O.; Zettl, A. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 133107.
[5] Splendiani, A.; Sun, L.; Zhang, Y.; Li, T.; Kim, J.; Chim, C. Y.; Galli, G.; Wang, F. Nano Lett. 2010, 10, 1271.
[6] Chhowalla, M.; Shin, H. S.; Eda, G.; Li, L. J.; Loh, K. P.; Zhang, H. Nat. Chem. 2013, 5, 263.
[7] Akinwande, D.; Petrone, N.; Hone, J. Nat. Commun. 2014, 5, 5678.
[8] Jariwala, D.; Sangwan, V. K.; Lauhon, L. J.; Marks, T. J.; Hersam, M. C. ACS Nano 2014, 8, 1102.
[9] Bernardi, M.; Palummo, M.; Grossman, J. C. Nano Lett. 2013, 13, 3664.
[10] Lopez-Sanchez, O.; Lembke, D.; Kayci, M.; Radenovic, A.; Kis, A. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 497.
[11]
(a) Bonaccorso, F.; Colombo, L.; Yu, G.; Stoller, M.; Tozzini, V.; Ferrari, A. C.; Ruoff, R. S.; Pellegrini, V. Science 2015, 347, 1246501.
(b) Lopez-Sanchez, O.; Llado, E. A.; Koman, V.; Morral, A. F. I.; Radenovic, A.; Kis, A. ACS Nano 2014, 8, 3042.
[12]
(a) Lu, P.; Wu, X.; Guo, W.; Zeng, X. C. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 13035.
(b) Hui, Y. Y.; Liu, X.; Jie, W.; Chan, N. Y.; Hao, J.; Hsu, Y. T.; Li, L. J.; Guo, W.; Lau, S. P. ACS Nano 2013, 7, 7126.
(c) Jiao, X.-L.; Zhang, Y.-W.; He, C.; Xu, J.-F.; Yang, J.-X.; Hong, Z. L. Mater. Rev. 2012, 26, 12. (焦小亮, 张悦炜, 何潺, 徐剑峰, 杨靖霞, 洪樟连, 材料导报, 2012, 26, 12.)
[13] Tarrio, C.; Schnatterly, S. E. Phys. Rev. B 1989, 40, 7852.
[14] Mak, K. F.; Lee, C.; Hone, J.; Shan, J.; Heinz, T. F. Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 136805.
[15] Tongay, S.; Zhou, J.; Ataca, C.; Lo, K.; Matthews, T. S.; Li, J.; Grossman, J. C.; Wu, J. Nano Lett. 2012, 12, 5576.
[16] Gutierrez, H. R.; Perea-Lopez, N.; Elias, A. L.; Berkdemir, A.; Wang, B.; Lv, R.; Lopez-Urias, F.; Crespi, V. H.; Terrones, H.; Terrones, M. Nano Lett. 2013, 13, 3447.
[17] Zhao, W.; Ghorannevis, Z.; Chu, L.; Toh, M.; Kloc, C.; Tan, P. H.; Eda, G. ACS Nano 2013, 7, 791.
[18]
(a) Du, X.; Skachko, I.; Barker, A.; Andrei, E. Y. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 491.
(b) Geim, A. K. Science 2009, 324, 1530.
[19]
(a) Quhe, R. G.; Zheng, J. X.; Luo, G. F.; Liu, Q. H.; Qin, R.; Zhou, J.; Yu, D. P.; Nagase, S.; Mei, W. N.; Gao, Z. X.; Lu, J. Npg Asia Mater. 2012, 4, e6.
(b) Zhou, S. Y.; Gweon, G. H.; Fedorov, A. V.; First, P. N.; De Heer, W. A.; Lee, D. H.; Guinea, F.; Castro Neto, A. H.; Lanzara, A. Nat. Mater. 2007, 6, 770.
(c) Zhang, Y.-Q.; Liang, Y.-M.; Zhou, J.-X. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 367. (张芸秋, 梁勇明, 周建新, 化学学报, 2014, 72, 367.)
[20]
(a) Balog, R.; Jorgensen, B.; Nilsson, L.; Andersen, M.; Rienks, E.; Bianchi, M.; Fanetti, M.; Laegsgaard, E.; Baraldi, A.; Lizzit, S.; Sljivancanin, Z.; Besenbacher, F.; Hammer, B.; Pedersen, T. G.; Hofmann, P.; Hornekaer, L. Nat. Mater. 2010, 9, 315.
(b) Withers, F.; Dubois, M.; Savchenko, A. K. Phys. Rev. B 2010, 82.
[21]
(a) Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. Nature 2009, 458, 877.
(b) Jiao, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Wang, H.; Dai, H. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 321.
(c) Xie, L. M.; Jiao, L. Y.; Dai, H. J. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14751.
[22] Vogt, P.; De Padova, P.; Quaresima, C.; Avila, J.; Frantzeskakis, E.; Asensio, M. C.; Resta, A.; Ealet, B.; Le Lay, G. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 155501.
[23] Cahangirov, S.; Topsakal, M.; Akturk, E.; Sahin, H.; Ciraci, S. Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 236804.
[24] Tran, V.; Soklaski, R.; Liang, Y. F.; Yang, L. Phys. Rev. B 2014, 89, 235319.
[25]
(a) Lam, K. T.; Lu, Y. H.; Feng, Y. P.; Liang, G. C. Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 022101.
(b) Zhou, Y.; Gao, F.-M; Guo, W.-F; Hou, L. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 436. (周友, 高发明, 郭文锋, 侯莉, 化学学报, 2012, 70, 436.)
(c) Yang, J.; Qiu, T.; Shen, C.-Y.; Pan, L.-M. J. Inorg. Mater. 2009, 24, 13. (杨建, 丘泰, 沈春英, 潘丽梅, 无机材料学报, 2009, 24, 13.)
(d) Yang, J.; Qiu, T.; Shen, C.-Y. Acta Phys. Chim. Sin. 2005, 24, 1373. (杨建, 丘泰, 沈春英, 物理化学学报, 2005, 24, 1373.)
[26] Peng, Q.; De, S. Physica E 2012, 44, 1662.
[27] Tomashik, V. Refractory Metal Systems 2009, 11E1, 444.
[28]
(a) Komsa, H. P.; Krasheninnikov, A. V. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 3652.
(b) Ajalkar, B. D.; Mane, R. K.; Sarwade, B. D.; Bhosale, P. N. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2004, 81, 101.
[29] Yoon, D.; Cheong, H. In Raman Spectroscopy for Nanomaterials Characterization, Eds.: Kumar, C. S., Springer, Heidelberg, 2012, p. 191.
[30] Manzke, R.; Skibowski, M. In Electronic Structure of Solids: Photoemission Spectra and Related Data' of Landolt——Börnstein - Group III Condensed Matter, Subvolume B, Vol. 23b, Eds.: Goldmann, A., Springer, Heidelberg, 1994, pp. 131～142.
[31] Manzke, R.; Skibowski, M. In Electronic Structure of Solids: Photoemission Spectra and Related Data' of Landolt-Börnstein——Group III Condensed Matter, Subvolume B, Vol. 23b, Eds.: Goldmann, A., Springer, Heidelberg, 1994, pp. 104～111.
[32] Kück, S.; Madelung, O.; Werheit, H.; Rössler, U.; Schulz, M. In Electronic Structure of Solids: Photoemission Spectra and Related Data' of Landolt-Börnstein——Group III Condensed Matter, Subvolume D, Vol. 41D, Springer, Heidelberg, 2000.
[33] Chiang, T.; Himpsel, F. In Electronic Structure of Solids: Photoemission Spectra and Related Data' of Landolt-Börnstein——Group III Condensed Matter, Subvolume A, Vol. 23a, Eds.: Goldmann, A.; Koch, E.-E., Springer, Heidelberg, 1989, pp. 30～34.
[34] Durgun, E.; Tongay, S.; Ciraci, S. Phys. Rev. B 2005, 72, 075420.
[35]
(a) Zhang, M.; Wu, J.; Zhu, Y.; Dumcenco, D. O.; Hong, J.; Mao, N.; Deng, S.; Chen, Y.; Yang, Y.; Jin, C.; Chaki, S. H.; Huang, Y. S.; Zhang, J.; Xie, L. ACS Nano 2014, 8, 7130.
(b) Chen, Y.; Xi, J.; Dumcenco, D. O.; Liu, Z.; Suenaga, K.; Wang, D.; Shuai, Z.; Huang, Y. S.; Xie, L. ACS Nano 2013, 7, 4610.
(c) Feng, Q.; Zhu, Y.; Hong, J.; Zhang, M.; Duan, W.; Mao, N.; Wu, J.; Xu, H.; Dong, F.; Lin, F.; Jin, C.; Wang, C.; Zhang, J.; Xie, L. Adv. Mater. 2014, 26, 2648.
[36] Porter, D. A.; Easterling, K. E.; Sherif, M. Phase Transformations in Metals and Alloys, (Revised Reprint), CRC press, Florida, 2011, pp. 10～13.
[37] Kang, J.; Tongay, S.; Li, J. B.; Wu, J. Q. J. Appl. Phys. 2013, 113, 140703.
[38] Gan, L. Y.; Zhang, Q.; Zhao, Y. J.; Cheng, Y.; Schwingenschlogl, U. Sci. Rep. 2014, 4, 6691.
[39]
(a) Dumcenco, D. O.; Su, Y. C.; Wang, Y. P.; Chen, K. Y.; Huang, Y. S.; Ho, C. H.; Tiong, K. K. In Solid Compounds of Transition Elements, Vol. 170, Eds.: Bobet, J. L.; Chevalier, B.; Fruchart, D., Trans Tech Publications, Switzerland, 2011, pp. 55～59.
(b) Dumcenco, D. O.; Chen, K. Y.; Wang, Y. P.; Huang, Y. S.; Tiong, K. K. J. Alloys Compd. 2010, 506, 940.
[40] Ho, C. H.; Huang, Y. S.; Liao, P. C.; Tiong, K. K. J. Phys. Chem. Solids 1999, 60, 1797.
[41] Schmidt, P.; Schmidt, M.; Binnewies, M.; Glaum, R. Chemical Vapor Transport Reactions——Methods, Materials, Modeling, INTECH Open Access Publisher, 2013, Chapter 9, pp. 227～229.
[42] Tongay, S.; Narang, D. S.; Kang, J.; Fan, W.; Ko, C. H.; Luce, A. V.; Wang, K. X.; Suh, J.; Patel, K. D.; Pathak, V. M.; Li, J. B.; Wu, J. Q. Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 012101.
[43]
(a) Zheng, S.; Sun, L.; Yin, T.; Dubrovkin, A. M.; Liu, F.; Liu, Z.; Shen, Z. X.; Fan, H. J. Appl. Phys. Lett. 2015, 106, 063113.
(b) Gong, Y.; Liu, Z.; Lupini, A. R.; Shi, G.; Lin, J.; Najmaei, S.; Lin, Z.; Elias, A. L.; Berkdemir, A.; You, G.; Terrones, H.; Terrones, M.; Vajtai, R.; Pantelides, S. T.; Pennycook, S. J.; Lou, J.; Zhou, W.; Ajayan, P. M. Nano Lett. 2014, 14, 442.
(c) Li, H.; Duan, X.; Wu, X.; Zhuang, X.; Zhou, H.; Zhang, Q.; Zhu, X.; Hu, W.; Ren, P.; Guo, P.; Ma, L.; Fan, X.; Wang, X.; Xu, J.; Pan, A.; Duan, X. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 3756.
[44] Gulbransen, E. A.; Andrew, K. F.; Brassart, F. A. J. Electrochem. Soc. 1963, 110, 242.
[45] Li, B.; Huang, L.; Zhong, M.; Huo, N.; Li, Y.; Yang, S.; Fan, C.; Yang, J.; Hu, W.; Wei, Z.; Li, J. ACS Nano 2015, 9, 1257.
[46] Su, S. H.; Hsu, Y. T.; Chang, Y. H.; Chiu, M. H.; Hsu, C. L.; Hsu, W. T.; Chang, W. H.; He, J. H.; Li, L. J. Small 2014, 10, 2589.
[47]
(a) Ramasubramaniam, A. Phys. Rev. B 2012, 86, 115409.
(b) Berkelbach, T. C.; Hybertsen, M. S.; Reichman, D. R. Phys. Rev. B 2013, 88, 045318.
(c) Mak, K. F.; He, K.; Lee, C.; Lee, G. H.; Hone, J.; Heinz, T. F.; Shan, J. Nat. Mater. 2013, 12, 207.
[48] Ho, C. H.; Wu, C. S.; Huang, Y. S.; Liao, P. C.; Tiong, K. K. J. Phys.: Condens. Matter. 1998, 10, 9317.
[49] Lee, C.; Yan, H.; Brus, L. E.; Heinz, T. F.; Hone, J.; Ryu, S. ACS Nano 2010, 4, 2695.
[50] Chen, Y.; Dumcenco, D. O.; Zhu, Y.; Zhang, X.; Mao, N.; Feng, Q.;hang, M.; Zhang, J.; Tan, P. H.; Huang, Y. S.; Xie, L. Nanoscale 2014, 6, 2833.
[51] Mann, J.; Ma, Q.; Odenthal, P. M.; Isarraraz, M.; Le, D.; Preciado, E.; Barroso, D.; Yamaguchi, K.; von Son Palacio, G.; Nguyen, A.; Tran, T.; Wurch, M.; Nguyen, A.; Klee, V.; Bobek, S.; Sun, D.; Heinz, T. F.; Rahman, T. S.; Kawakami, R.; Bartels, L. Adv. Mater. 2014, 26, 1399.
[52] Chang, I. F.; Mitra, S. S. Phys. Rev. 1968, 172, 924.
[53] Xi, J. Y.; Zhao, T. Q.; Wang, D.; Shuai, Z. G. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 285.
[54] Qiu, H.; Xu, T.; Wang, Z.; Ren, W.; Nan, H.; Ni, Z.; Chen, Q.; Yuan, S.; Miao, F.; Song, F.; Long, G.; Shi, Y.; Sun, L.; Wang, J.; Wang, X. Nat. Commun. 2013, 4, 2642.
[55] Zhou, W.; Zou, X.; Najmaei, S.; Liu, Z.; Shi, Y.; Kong, J.; Lou, J.; Ajayan, P. M.; Yakobson, B. I.; Idrobo, J. C. Nano Lett. 2013, 13, 2615.
[56] Gong, C.; Colombo, L.; Wallace, R. M.; Cho, K. Nano Lett. 2014, 14, 1714.