第一作者：周家东，朱超，周遥
通讯作者：周家东，王业亮，姚裕贵，刘政
通讯单位：北京理工大学，新加坡南洋理工大学
【研究亮点】
作者提出了一种基于竞争化学反应的生长机制来控制过渡金属硫化物 (TMCs) 和过渡金属磷硫化物 (TMPCs) 成核和生长速率。基于这种生长机制，可以实现利用化学气相沉积法 (CVD) 合成67种类型的TMCs和TMPCs，具有明确的相、可控的结构和可调的成分。
【主要内容】
二维 (2D) 材料包括不同的体系，如单元、二元和三元晶体，因为它们在量子器件和信息技术中具有潜在的应用，因此引起了广泛的关注。为了研究基础物理并实现潜在应用，人们致力于合成超薄二维材料。迄今为止，已经利用不同的自下而上方法来实现不同类型的2D材料。最近，尽管有一些工作尝试合成二元过渡金属硫化物，但具有不同相/组成的2D二元硫化物的可控合成仍然具有挑战性，特别是对于制备2D过渡金属磷硫化物晶体。到目前为止，还没有通用的方法可以合成这些2D多相/多成分材料。这归因于它们具有可变的价态、多晶型特征和相，例如MX（六方和四方）、MX2（六方和四方）、M2X3、M3X4、M5X8、MPX、MPX3等。所有这些都使得制备单相TMPCs和TMCs的化学反应变得不可控。值得注意的是，这些TMPC和TMC表现出丰富的原子结构和奇异的物理特性。例如，MPX3、FexGeTe2 和 FeSexTe1-x 是研究二维反铁磁性、铁磁性和拓扑超导性的潜在材料。因此，人们迫切需要实现单相/单组分晶体的可控合成。
鉴于此，北京理工大学周家东教授，王业亮教授，姚裕贵教授等人联合新加坡南洋理工大学刘政教授提出了一种可通用于生产TMC和TMPC库的基于竞争化学反应控制的CVD方法，通过控制生长温度和蒸气压来实现。总共制备了63个化合物和4个具有不同组成和相的异质结构。其中大多数材料（尤其是所有TMPC）都没有用CVD方法合成所报告过。以Fe(P)Sx为例，研究人员为了控制生长动力学并实现特定的化学反应，使用了具有低蒸气压的大尺寸前驱体，这有助于调节特定材料单相生长在成核和外延生长方面的竞争反应。因此，使用大尺寸的FeCl2 前驱体可以得到超薄二维晶体（如FeSx和FePS3）。同时，这些成分和相之间的竞争化学反应可通过调节反应温度以调节FeCl2、S和P的蒸气压来控制，因为它们具有不同的形成能。例如，FeCl2在较高温度（~650–675 °C）可以形成FeX2，而较低温度（~580–650 °C）可以生成FeS和 FePS3。本工作不仅开辟了合成原子厚度的TMCs和TMPCs的重要途径，而且展示了一种新的生长机制，这对于全面了解二维材料的生长机制非常重要。通过这种方法制备的具有可控相和成分以及异质结构的晶体将为探索多种物理现象提供可能性，包括二维相变、二维铁磁性、二维超导性、马约拉纳束缚态、自旋电子学和多体激子等。
Fig. 1 | Kinetic growth mode for the controllable synthesis of MaXb and MmPnXz with different phases and compositions.
Fig. 2 | Optical images of as-synthesized TMCs and TMPCs.
Fig. 3 | Growth mechanism of 3d-metal-based 2D materials.
Fig. 4 | STEM characterizations of the as-synthesized 2D materials.
Fig. 5 | Physical properties of selected Fe-based TMCs by tuning the compositions.
【文献信息】
Zhou, J., Zhu, C., Zhou, Y. et al. Composition and phase engineering of metal chalcogenides and phosphorous chalcogenides. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01291-5