二维无机纳米材料异质结构的合成与表征

Since 2004, a series of important single-layer 2D materials, including graphene (semi-metal), MoS2 (semiconductor) and h-BN (insulator), have been synthesized with chemical methods and heavily investigated. As the research moves on, people start to think how to integrate different 2D materials into more useful and mulit-functional devices. The key of this integration is to make chemically compatible 2D material hetero-junctions, both laterally and vertically, and understand the special properties inside the junction. This new hetero-junction structure could potentially change the direction of future electronics and opto-electronics. In our research, we propose level-1 to level-n graphene/MoS2/BN hetero-junction structures in both lateral and vertical directions, through lithography, pattern etching and step-CVD growth methods. Spectroscopics, high resolution TEM and electrical transport techniques will be used to characterize the chemical bonding and physical properties inside the hetero-junction region. This research bears a great merit to understand the unique behaviors between different 2D materials, helps to build the library of techniques which could be the basis for designing new 2D hetero-junction opto-electronics and other potential applications.

自 2004年以来，一些重要的单层二维材料，包括石墨烯（半金属）、MoS2（半导体）和h-BN（绝缘体）相继通过化学的方法被合成出来，其物性也逐步得到深入的研究。目前，新的研究开始尝试将不同的二维无机纳米材料整合成为更加复杂的功能器件。这种整合的关键是掌握不同二维无机纳米材料异质结构（平面或垂直方向的异质结构）的合成方法并研究其相应区域特殊的物理性质。理论和实验表明，这种新型异质结构有望在电子学、光电子学方面产生重大的应用。 本研究课题拟通过多次光（或电子束）曝光、掩膜刻蚀和分步CVD生长的方法，在平面或垂直方向上构建以石墨烯、MoS2和BN为基础的一级或多级异质结构。 通过光谱学，高分辨电子显微镜和电输运等表征方式，研究异质结区域内具体的化学键结构以及相应的物理性质。这些研究有助于理解二维材料异质结构的潜在应用，实现自主知识产权的技术储备，为设计新型的二维异质结构光、电子器件奠定基础。

自青年科学基金项目“二维无机纳米材料异质结构的合成与表征”立项以来，国际上该领域的发展十分迅速，目前已经有多种重要的二维无机材料异质结构（石墨烯-六方氮化硼、硫化钼-硫化钨等垂直或平面异质结）相继被合成和报道出来。 课题组在此青年科学基金的资助下，结合国家青年千人计划的启动经费支持，迅速建立团队和实验平台，在该领域打下了较好的基础。具体的工作包括：可控制备大尺寸石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、碳化钼、碲化钼等二维材料单晶或薄膜；制备石墨烯-六方氮化硼平面异质结；制备可3D打印的石墨烯复合材料；制备具有纯净、稳定石墨烯结构的电化学电极；制备可编程二维p-n结等一系列工作。这些研究从基础的二维无机纳米材料单元的可控化学合成开始，通过与其它二维材料、高分子甚至化学电解液的多相、多组分相互作用，实现了从光学、电子、机械加工以及电化学等方面的优良特性。未来我们将继续专注在具有特殊异质结构的二维材料的各种原型器件，挖掘它们在能源、电子领域的巨大潜力。