文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c14162
亮点：
1.低对称ReS₂的对齐生长：首次实现低对称二维材料ReS₂在高对称Au(111)表面上的大面积对齐生长。
2.无缝拼接的厘米级薄膜：通过化学气相沉积技术，成功构建连续无缝的二维薄膜。
3.外延生长机制解析：揭示了Au表面台阶边缘引导和台阶束集效应对ReS₂对齐生长的关键作用。
4.适应性强的生长工艺：验证了该工艺对不同表面粗糙度条件的适应能力，为工业化制备奠定基础。
5.光电应用前景：ReS₂薄膜在偏振敏感器件和其他光电应用中展示了巨大潜力。
摘要
二维（2D）材料的大规模制备是解锁其在下一代半导体器件应用中广泛潜力的关键步骤。高对称二维材料（如石墨烯和二硫化钼）的晶圆级单晶制备已通过无缝拼接对齐晶域实现。然而，实现低对称二维材料的晶域对齐仍然是一个巨大挑战，并鲜有报道。作为一种低对称二维材料，二硫化铼（ReS₂）因其在光电领域，特别是偏振敏感应用中的巨大潜力而备受关注。在本研究中，我们报道了一种在高对称Au(111)表面上，通过化学气相沉积（CVD）法制备高度有序的低对称单层ReS₂薄片的技术，随后通过无缝拼接形成厘米级连续二维薄膜。横截面扫描透射电子显微镜显示，单层ReS₂薄片的对齐受到Au(111)表面台阶边缘沿[011̅]方向的引导。此外，在ReS₂生长过程中，2D材料可通过表面台阶束集效应使Au表面平坦化。研究表明，ReS₂单层能够跨越Au表面台阶和不同晶面生长，从而展示了一种可靠且适应不同表面粗糙度条件的合成路线。这种对齐且可扩展的低对称ReS₂薄膜的生长，为深入理解低对称二维材料的外延生长机制作出了重要贡献，并为其未来的应用奠定了基础。
研究背景和主要内容
二维（2D）材料因其用于开发下一代半导体器件的优异电子和光学特性而引起了人们的广泛兴趣，而大面积2D材料制备是未来工业应用的重要步骤。与其他制备方法（如机械剥离和液体剥离）相比，由于化学气相沉积 (CVD) 和金属有机 (MO)CVD 方法可以提供可扩展且可控的大尺寸高质量二维材料，近年来CVD法在二维材料生长中的应用越来越广泛，并被广泛探索。目前，CVD法生长二维单晶材料有两种常见策略。第一种策略是降低成核密度，例如只允许一个晶核，使其在衬底上横向生长成大的单晶。然而，严格限制一个原子核是很有挑战性的，到目前为止，只有石墨烯已经成功地从Cu-Ni基底上的成核点生长成晶圆级单晶薄膜。第二种策略是实现单向单晶薄片的无缝拼接，从而允许多个成核位点，并已被广泛用于在不同基底上生长各种高对称性二维材料；例如，在 Cu(111) 表面上成功合成了晶圆级单晶石墨烯和最近Cu(110)衬底六方氮化硼 (hBN) 薄膜，晶片级或厘米级单晶过渡金属二硫属化物 (TMD) 材料也通过这种方法实现（例如，邻位a和c面蓝宝石上的 WS2、WSe2， c面蓝宝石上的MoS2，以及在 Au(111) 上的MoS2）。
取向二维材料的无缝拼接方法在实现各类高对称性二维材料的晶圆级单晶生长方面表现出巨大潜力。然而，关于低对称性二维材料（如ReX 2、X = S、Se）的取向生长和成膜行为的报道有限。二硫化铼（ReS2）是一种低对称性二维TMD材料，由于其面内各向异性、扭曲的1T结构和与层无关的特性而引起了人们的极大兴趣。人们已经进行了许多尝试，试图在各种绝缘基底上制备原子级厚度的 ReS2，例如云母、蓝宝石，和玻璃。然而,所得ReS2薄膜在合并时往往表现出不同的取向和丰富的晶粒边界。迄今为止,Li等人的研究是唯一一家研究了 ReS2取向控制方法的公司，
成功在 Au(101) 表面获得了具有平行四边形形状的单取向 ReS2薄片。他们的发现强调了降低 Au 基底的晶格对称性以实现 ReS2取向的重要性。然而，关于由高度取向的晶体形成的连续 2D ReS2全膜的制备的报道仍然很少。
一般来说，如果基底的对称群是二维材料的子群，则可以实现良好排列的单晶二维材料生长。例如，具有6重对称性（C 6v）的石墨烯可以在Cu(111)上实现单向生长，而Cu(111)具有C3v对称性，是C6v的子群。对于ReS2或ReSe2，它们具有较低的C2对称性，具有子群C2和C1。因此高折射率衬底或者具有台阶边缘的衬底是生长过程中实现它们定向排列的理想条件。Jiang等尝试在Au(100) (C4v )上生长ReSe2，但未能实现单向生长。在我们的研究中，我们成功获得了一个排列良好的三角形 ReS2单层，薄膜尺寸为厘米级。这是利用 CVD 方法在具有台阶边缘的高对称性 Au(111) 畴上实现的。与用于 ReS2生长的具有台阶的其他衬底相比，Au(111) 表现出比某些绝缘衬底（如c面蓝宝石（约 34%））更低的晶格失配度（约11%）（晶格常数：aReS2 = 0.64 nm；2 × aAu(111)= 0.578 nm；ac 面蓝宝石= 0.476 nm），从而最大限度地减少了 ReS2中的应变和缺陷形成。此外，与铜等反应性更强的金属不同，Au(111) 的化学惰性可防止生长过程中发生不良的界面反应。其与硫的有利相互作用还有利于硫前体的吸附，促进 ReS2的有效成核和定向生长。这里，通过非接触退火法从商用多晶金箔制备厘米级 Au(111) 畴在几分钟内。从 ReS2 /Au(111) 的横截面扫描透射电子显微镜 (STEM) 视图发现，沿 Au [011̅] 方向的金台阶边缘在调整 ReS2的取向中起着重要作用。结合高生长温度，我们实现了高度取向的 ReS2晶体生长。此外，由于 ReS2生长涉及金台阶聚集，ReS2可以使金表面平整，并且 ReS2生长可以适应具有不同粗糙度的金表面，跨越具有不同倾斜角（最高 55°）的各种台阶生长。此外，我们观察到一种未报道类型的 ReS2重叠晶粒边界（GB），它源于 0° 取向与其镜像对称的 ReS2的合并行为。我们的研究表明，即使基底对称性不是该二维材料的子类，低对称性二维材料也可以在高对称性基底上产生高度取向的晶体生长，并且它为通过合并单向薄片在金属基底上制备单晶低对称性二维材料提供了见解。
本研究采用非接触退火法从商用多晶金箔制备出大的 Au(111) 畴在1064 °C的高温下，将金箔悬挂在石英支架上，形成一个非接触区域和一个接触区域（图1 a）。在退火过程中，在接近金熔点的高温下，金的非接触区域自发转变为 Au(111) 畴，这是由表面能最小化因素驱动的，而金的接触区域转变为 Au(100)。在我们的研究中，获得的 Au(111) 畴最大可达 10 mm × 5 mm（图1 a），退火后金箔法向的代表性电子背散射衍射 (EBSD) 数据证实了厘米级尺寸的 Au(111) 畴的形成（图1 b）
随后，在常压下，采用 CVD 法在 950° 的生长温度下，在 Au(111) 畴上生长单层单向三角形 ReS2。硫和高铼酸铵 (NH4 ReO4 ) 粉末用作生长前体 (图 S1 )。通过增加生长实验中的前体量，排列良好的 ReS2薄片样品可以合并在一起，在 Au(111) 畴上形成连续膜，如扫描电子显微镜 (SEM) 图像所示 (图 1 c )。
图 1. 在 Au(111) 畴上通过 CVD 生长取向 ReS2。 (a) 通过非接触法制备厘米级 Au(111) 畴以及在 Au(111) 畴上生长的取向 ReS2。 (b) 退火后金箔的代表性 EBSD 逆极图。(c) 随着前体数量的增加，取向 ReS2从薄片生长到连续膜的假彩色 SEM 图像。(d) 转移到SiO2/Si 上的 ReS2全膜的偏振 70° OM 图像。(e)在 Au(111) 表面生长的ReS2和转移到 SiO2/Si 上的 ReS2的拉曼光谱。(f) 在 Au(111) 畴上生长的取向 ReS2的 AFM 形貌，显示 ReS2
