СИНТЕЗ ГРАФЕНА И 2D ДИХАЛЬКОГЕНИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ (TMD) МЕТОДОМ CVD

Р. Е. Бейсенов; Е. Б. Алыбаев; Haixin Chang; Wenfeng Zhang; З.А Мансуров

Авторы

Р. Е. Бейсенов Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева, Казахстан, г. Алматы; Институт проблем горения, г. Алматы
Е. Б. Алыбаев Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева, Казахстан, г. Алматы; Институт проблем горения, г. Алматы
Haixin Chang Huazhong University of Science and Technology, China, Wuhan
Wenfeng Zhang Huazhong University of Science and Technology, China, Wuhan
З.А Мансуров Институт проблем горения, г. Алматы

Ключевые слова:

двухмерные материалы,, синтез,, графен,, дихалькогениды переходных металлов

Аннотация

Целью данного обзора является представление общего понимания, состояния, а также современных проблем получения и применения графена и 2D дихалькогенидов переходных металлов (TMD). Приведены примеры параметров синтеза поликристаллического и монокристаллического графена методом химического парофазного осаждения (CVD). Рассмотрены процессы подготовки образцов и основные механизмы роста многослойных, однослойных пленок, а также монокристаллических, атомных структур. Проведен широкий анализ влияния параметров осаждения, в том числе прекурсоров, подложек, атмосфер и газовых потоков на качество формирования графена, а также других 2D материалов синтезируемых методом CVD. Приведены примеры CVD синтеза дихалькогенидов переходных металлов с использованием различного рода прекурсоров и методик. Рассмотрен механизм формирования зерен кристаллов TMD синтезируемых методов сульфуризации оксидов вольфрама и молибдена. Показано, что развитие CVD синтеза 2D материалов обусловлен с растущим спросом на высококачественные 2D материалы для различных областей применения, где тщательная контролируемость процесса роста критически важна. Из проведенного обзора можно сделать вывод, что полная контролируемость процесса роста 2D материалов методом CVD до сих пор не достигнута. Полное понимание влияния параметров эпитаксии имеет особое значение для реализации программируемого контроля роста методом CVD и выращивания высококачественных 2D материалов. Рассматриваются варианты создания 2D гетероструктур на основе графена и TMD. В заключении приведены краткие рассуждения о проблемах синтеза 2D-материалов методом CVD.

Библиографические ссылки

(1). L. Britnell, R.M. Ribeiro, A. Eckmann, R. Jalil, B.D. Belle, A. Mishchenko, Y.J. Kim, R.V. Gorbachev, T. Georgiou, S.V. Morozov, et al., Strong Light-Matter Interactions in Heterostructures of Atomically Thin Films, Science 340, (2013) (6138) 1311-3014.

(2). W.J. Yu, Y. Liu, H. Zhou, A. Yin, Z. Li, Y. Huang, X. Duan, Highly efficient gatetunable photocurrent generation in vertical heterostructures of layered materials Nat. Nanotechnol. December 2013, Volume 8. No 12. P. 952.

(3). S. Das, R. Gulotty, A.V. Sumant, A. Roelofs, All Two-Dimensional, Flexible, Transparent, and Thinnest Thin Film Transistor, Nano Lett. 14. (2014). Р.2861.

(4). L.S. Oriol, D. Lembke, M. Kayci, A. Radenovic, A. Kis, Nat. Nanotechnol. 8 (2013) 497.

(5). A. Abderrahmane, P. Ko, T.V. Thu, S. Ishizawa, T. Takamura, A. Sandhu, Nanotechnology 25 (2014) 365202.

(6). N. Huo, S. Yang, Z. Wei, S. Li, J. Xia, J. Li, Sci. Rep. 4 (2014) 5209.

(7). G. Cunningham, D. Hanlon, M. Niall, G. Duesberg, J.N. Coleman, Nanoscale 7 (2015) 198.

(8). S. Yang, S. Tongay, Y. Li, Q. Yue, J. Xia, S. Li, J. Li, S. Wei, Nanoscale 6 (2014) 7226.

(9). K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva and A. A. Firsov, Science, 2004, 306, 666–669.

(10). E. S. Penev, V. I. Artyukhov, F. Ding and B. I. Yakobson, Adv. Mater., 2012, 24, 4956–4976.

(11). X. Zhang, H. Li and F. Ding, Adv. Mater., 2014, 26, 5488–5495.

(12). I. Vlassiouk, M. Regmi, P. Fulvio, S. Dai, P. Datskos, G. Eres and S. Smirnov, ACS Nano, 2011, 5, 6069–6076.

(13). P. R. Somani, S. P. Somani and M. Umeno, Chem. Phys. Lett., 2006, 430, 56–59.

(14). W. Feng, S. Lei, Q. Li and A. Zhao, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 24858–24864.

(15). T. Gao, S. Xie, Y. Gao, M. Liu, Y. Chen, Y. Zhang and Z. Liu, ACS Nano, 2011, 5, 9194–9201.

(16). C.-M. Seah, S.-P. Chai and A. R. Mohamed, Carbon, 2014, 70, 1–21.

(17). X. Li, W. Cai, L. Colombo and R. S. Ruoff, Nano Lett., 2009, 9, 4268–4272.

(18). M. Eizenberg and J. Blakely, Surf. Sci., 1979, 82, 228–236.

(19). J. Shelton, H. Patil and J. Blakely, Surf. Sci., 1974, 43, 493–520.

(20). J. W. May, Surf. Sci., 1969, 17, 267–270.

(21). A. Reina, X. Jia, J. Ho, D. Nezich, H. Son, V. Bulovic, M. S. Dresselhaus and J. Kong, Nano Lett., 2009, 9, 30–35.

(22). A. J. Pollard, R. R. Nair, S. N. Sabki, C. R. Staddon, L. M. A. Perdigao, C. H. Hsu, J. M. Gar tt, S. Gangopadhyay, H. F. Gleeson, A. K. Geim and P. H. Beton, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 16565–16567.

(23). X. S. Li, W. W. Cai, J. H. An, S. Kim, J. Nah, D. X. Yang, R. Piner, A. Velamakanni, I. Jung, E. Tutuc, S. K. Banerjee, L. Colombo and R.S. Ruoff, Science, 2009, 324, 1312–1314.

(24). W. Fang, A. Hsu, Y. C. Shin, A. Liao, S. Huang, Y. Song, X. Ling, M. S. Dresselhaus, T. Palacios and J. Kong, Nanoscale, 2015, 7, 4929– 4934.

(25). A. Ramasubramaniam, D. Naveh and E. Towe, Nano Lett., 2011, 11, 1070–1075.

(26). S. Lee, K. Lee and Z. Zhong, Nano Lett., 2010, 10, 4702–4707.

(27). K. Yan, H. Peng, Y. Zhou, H. Li and Z. Liu, Nano Lett., 2011, 11, 1106–1110.

(28). Y. Gong, X. Zhang, G. Liu, L. Wu, X. Geng, M. Long, X. Cao, Y. Guo, W. Li, J. Xu, M. Sun, L. Lu and L. Liu, Adv. Funct. Mater., 2012, 22, 3153–3159.

(29). Z. Tu, Z. Liu, Y. Li, F. Yang, L. Zhang, Z. Zhao, C. Xu, S. Wu, H. Liu, H. Yang and P. Richard, Carbon, 2014, 73, 252–258.

(30). N. G. Shang, P. Papakonstantinou, M. McMullan, M. Chu, A. Stamboulis, A. Potenza, S. S. Dhesi and H. Marchetto, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 3506–3514.

(31). J. Hwang, M. Kim, D. Campbell, H. A. Alsalman, J. Y. Kwak, S. Shivaraman, A. R. Woll, A. K. Singh, R. G. Hennig, S. Gorantla, M. H. Rummeli and M. G. Spencer, ¨ ACS Nano, 2012, 7, 385–395.

(32). M. Wang, S. K. Jang, W.-J. Jang, M. Kim, S.-Y. Park, S.-W. Kim, S.-J. Kahng, J.-Y. Choi, R. S. Ruoff, Y. J. Song and S. Lee, Adv. Mater., 2013, 25, 2746–2752.

(33). J. Chen, Y. Guo, L. Jiang, Z. Xu, L. Huang, Y. Xue, D. Geng, B. Wu, W. Hu, G. Yu and Y. Liu, Adv. Mater., 2014, 26, 1348–1353.

(34). L. Gao, W. Ren, H. Xu, L. Jin, Z. Wang, T. Ma, L.-P. Ma, Z. Zhang, Q. Fu, L.-M. Peng, X. Bao and H.-M. Cheng, Nat. Commun., 2012, 3, 699.

(35). W. Wu, L. A. Jauregui, Z. Su, Z. Liu, J. Bao, Y. P. Chen and Q. Yu, Adv. Mater., 2011, 23, 4898–4903.

(36). A. W. Robertson and J. H. Warner, Nano Lett., 2011, 11, 1182–1189.

(37). X. Li, C. W. Magnuson, A. Venugopal, R. M. Tromp, J. B. Hannon, E. M. Vogel, L. Colombo and R. S. Ruoff, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 2816–2819.

(38). H. Wang, G. Wang, P. Bao, S. Yang, W. Zhu, X. Xie and W.-J. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 3627–3630.

(39). S. Chen, H. Ji, H. Chou, Q. Li, H. Li, J. W. Suk, R. Piner, L. Liao, W. Cai and R. S. Ruoff, Adv. Mater., 2013, 25, 2062–2065.

(40). Z. Yan, J. Lin, Z. Peng, Z. Sun, Y. Zhu, L. Li, C. Xiang, E. L. Samuel, C. Kittrell and J. M. Tour, ACS Nano, 2012, 6, 9110–9117.

(41). L. Gan and Z. Luo, ACS Nano, 2013, 7, 9480–9488.

(42). H. Zhou, W. J. Yu, L. Liu, R. Cheng, Y. Chen, X. Huang, Y. Liu, Y. Wang, Y. Huang and X. Duan, Nat. Commun., 2013, 4, 2096–2103.

(43). J.-H. Lee, E. K. Lee, W.-J. Joo, Y. Jang, B.-S. Kim, J. Y. Lim, S.-H. Choi, S. J. Ahn, J. R. Ahn, M.-H. Park, C.-W. Yang, B. L. Choi, S.-W. Hwang and D. Whang, Science, 2014, 344, 286–289.

(44). T. Wu, G. Ding, H. Shen, H. Wang, L. Sun, D. Jiang, X. Xie and M. Jiang, Adv. Funct. Mater., 2013, 23, 198–203.

(45). Y. Xue, B. Wu, L. Jiang, Y. Guo, L. Huang, J. Chen, J. Tan, D. Geng, B. Luo, W. Hu, G. Yu and Y. Liu, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 11060–11063.

(46). Y. A. Wu, Y. Fan, S. Speller, G. L. Creeth, J. T. Sadowski, K. He, A. W. Robertson, C. S. Allen and J. H. Warner, ACS Nano, 2012, 6, 5010–5017.

(47). D. Geng, B. Wu, Y. Guo, L. Huang, Y. Xue, J. Chen, G. Yu, L. Jiang, W. Hu and Y. Liu, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2012, 109, 7992– 7996.

(48). D. Geng, L. Meng, B. Chen, E. Gao, W. Yan, H. Yan, B. Luo, J. Xu, H. Wang, Z. Mao, Z. Xu, L. He, Z. Zhang, L. Peng and G. Yu, Adv. Mater., 2014, 26, 6423–6429.

(49). A. Mohsin, L. Liu, P. Liu, W. Deng, I. N. Ivanov, G. Li, O. E. Dyck, G. Duscher, J. R. Dunlap, K. Xiao and G. Gu, ACS Nano, 2013, 7, 8924–8931.

(50). Z. Yan, Y. Liu, L. Ju, Z. Peng, J. Lin, G. Wang, H. Zhou, C. Xiang, E. L. G. Samuel, C. Kittrell, V. I. Artyukhov, F. Wang, B. I. Yakobson and J. M. Tour, Angew. Chem., Int. Ed., 2014, 53, 1565–1569.

(51). H. Mehdipour and K. Ostrikov, ACS Nano, 2012, 6, 10276–10286.

(52). Y. Hao, M. S. Bharathi, L. Wang, Y. Liu, H. Chen, S. Nie, X. Wang, H. Chou, C. Tan, B. Fallahazad, H. Ramanarayan, C. W. Magnuson, E. Tutuc, B. I. Yakobson, K. F. McCarty, Y.-W. Zhang, P. Kim, J. Hone, L. Colombo and R. S. Ruoff, Science, 2013, 342, 720–723.

(53). C. W. Magnuson, X. Kong, H. Ji, C. Tan, H. Li, R. Piner, C. A. Ventrice, Jr. and R. S. Ruoff, J. Mater. Res., 2014, 29, 403–409.

(54). Z.-J. Wang, G. Weinberg, Q. Zhang, T. Lunkenbein, A. KleinHoffmann, M. Kurnatowska, M. Plodinec, Q. Li, L. Chi, R. Schloegl and M.-G. Willinger, ACS Nano, 2015, 9, 1506–1519.

(55). W. Hofmann, J. Mater. Sci., 1988, 23, 3981–3986.

(56). K.-K. Liu, W. Zhang, Y.-H. Lee, Y.-C. Lin, M.-T. Chang, C.-Y. Su, C.-S. Chang, H. Li, Y. Shi, H. Zhang, C.-S. Lai and L.-J. Li, Nano Lett., 2012, 12, 1538–1544.

(57). Y. Zhan, Z. Liu, S. Najmaei, P. M. Ajayan and J. Lou, Small, 2012, 8, 966–971.

(58). Y. H. Lee, X. Q. Zhang, W. Zhang, M. T. Chang, C. T. Lin, K. D. Chang, Y. C. Yu, J. T. Wang, C. S. Chang, L. J. Li and T. W. Lin, Adv. Mater., 2012, 24, 2320–2325.

(59). B. Liu, L. Chen, G. Liu, A. N. Abbas, M. Fathi and C. Zhou, ACS Nano, 2014, 8, 5304– 5314.

(60). S. Najmaei, Z. Liu, W. Zhou, X. Zou, G. Shi, S. Lei, B. I. Yakobson, J.-C. Idrobo, P. M. Ajayan and J. Lou, Nat. Mater., 2013, 12, 754–759.

(61). K. M. McCreary, A. T. Hanbicki, J. T. Robinson, E. Cobas, J. C. Culbertson, A. L. Friedman, G. G. Jernigan and B. T. Jonker, Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 6449–6454.

(62). M. R. Laskar, L. Ma, S. Kannappan, P. Sung Park, S. Krishnamoorthy, D. N. Nath, W. Lu, Y. Wu and S. Rajan, Appl. Phys. Lett., 2013, 102, 252108.

(63). X. Wang, H. Feng, Y. Wu and L. Jiao, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 5304–5307.

(64). A. M. van der Zande, P. Y. Huang, D. A. Chenet, T. C. Berkelbach, Y. You, G. H. Lee, T. F. Heinz, D. R. Reichman, D. A. Muller and J. C. Hone, Nat. Mater., 2013, 12, 554–561.

(65). Y. Zhang, Y. Zhang, Q. Ji, J. Ju, H. Yuan, J. Shi, T. Gao, D. Ma, M. Liu, Y. Chen, X. Song, H. Y. Hwang, Y. Cui and Z. Liu, ACS Nano, 2013, 7, 8963–8971.

(66). Y. Rong, Y. Fan, A. Leen Koh, A. W. Robertson, K. He, S. Wang, H. Tan, R. Sinclair and J. H. Warner, Nanoscale, 2014, 6, 12096–12103.

(67). X. Ling, Y.-H. Lee, Y. Lin, W. Fang, L. Yu, M. S. Dresselhaus and J. Kong, Nano Lett., 2014, 14, 464–472.

(68). J. Kang, S. Tongay, J. Zhou, J. Li and J. Wu, Appl. Phys. Lett., 2013, 102, 012111.

(69). M. Bernardi, M. Palummo and J. C. Grossman, Nano Lett., 2013, 13, 3664–3670.

(70). C. Huang, S. Wu, A. M. Sanchez, J. J. P. Peters, R. Beanland, J. S. Ross, P. Rivera, W. Yao, D. H. Cobden and X. Xu, Nat. Mater., 2014,13, 1096–1101.

(71). X. Duan, C. Wang, J. C. Shaw, R. Cheng, Y. Chen, H. Li, X. Wu, Y. Tang, Q. Zhang, A. Pan, J. Jiang, R. Yu, Y. Huang and X. Duan, Nat. Nanotechnol., 2014, 9, 1024–1030.

(72). X.-Q. Zhang, C.-H. Lin, Y.-W. Tseng, K.-H. Huang and Y.-H. Lee, Nano Lett., 2015, 15, 410–415.

(73). A. M. van der Zande, P. Y. Huang, D. A. Chenet, T. C. Berkelbach, Y. M. You, G. H. Lee, T. F. Heinz, D. R. Reichman, D. A. Muller, and J. C. Hone, "Grains and grain boundaries in highly crystalline monolayer molybdenum disulphide," Nature Materials, vol. 12, pp. 554-561, Jun 2013.

(74). S.-C. Cheng, F. Sultanov, V. G. Hadjiev, S. S. Pei, and Z. Mansurov, "Nucleation ceners in highly crystalline monolayer molybdenum disulphide by chemical vapor deposition," (under preparation).

(75). L. L. Yu, Y. H. Lee, X. Ling, E. J. G. Santos, Y. C. Shin, Y. X. Lin, M. Dubey, E. Kaxiras, J. Kong, H. Wang, and T. Palacios, "Graphene/MoS2 Hybrid Technology for Large-Scale Two-Dimensional Electronics," Nano Letters, vol. 14, pp. 3055-3063, 2014.