双层过渡金属硫属化物（TMDs）由于比单层TMDs具有更高的态密度和载流子迁移率，逐渐吸引了大量的关注。控制层数的均匀性非常关键，因为它将强烈影响物理性质。然而，通过常规的逐层策略很难合成具有两个相同层的等双层（EB）TMDs。大多数报道的双层TMDs并不均匀，这种不等双层会引入较大的肖特基势垒，导致载流子迁移率降低。在这里，提出了一种
成核刻蚀策略
，
通过化学气相沉积（CVD）生长EB-MoSe2
，打破了常规逐层策略的限制。
第二层更倾向于在第一层下方而不是上方形成
，并且观察到不同的刻蚀现象，这种
刻蚀现象更倾向于发生在顶层重叠晶界位置
。所获得的
EB-MoSe2片是3R堆叠
的，具有高晶体质量。此外，EB-MoSe2与金属电极之间的接触得到了极大的改善，因此
EB-MoSe2晶体管的载流子迁移率比UEB-MoSe2晶体管（12 cm² V⁻¹ s⁻¹）高出一个数量级（104 cm² V⁻¹ s⁻¹）。
这个值与报道的结果相比也是相对较高水平的。该工作为合成具有高载流子迁移率的EB-TMDs提供了一种可行的策略，这对于开发高性能的二维光电器件具有重要意义。
1. EB-MoSe2的合成
- 基底预处理：使用金箔（Au foils）作为生长基底，预先在约1050°C下退火超过12小时。
- 生长前体：使用三氧化钼（MoO3）和硒（Se）粉末作为生长前体。
- 生长环境：在水平管式炉中进行化学气相沉积（CVD）。
- 温度控制：将温度从25°C逐渐升高到900°C，并引入100标准立方厘米每分钟（sccm）的氩气（Ar）作为载气。
- 还原气体：引入4 sccm的氢气（H2）作为还原气体，持续3分钟以生长EB-MoSe2。
- 冷却：CVD生长后，关闭氢气，快速将炉子冷却至室温。
- 气体流量：整个过程中氩气的流量保持在100 sccm。
2. EB-MoSe2的转移
- 转移方法：使用电化学气泡转移方法将EB-MoSe2片转移到目标基底（如SiO2/Si基底或TEM网格）。
1. 核刻蚀策略（Nucleation-Etching Strategy）：
- 提出了一种新的核刻蚀策略来生长等双层二硫化钼（EB-MoSe2），这种策略打破了传统的逐层生长策略（layer-by-layer strategy）的限制。
- 通过在金箔（Au foils）上进行化学气相沉积（CVD），实现了第二层在第一层之下优先形成，而不是之上，这与传统的逐层生长策略不同。
2. 层数均匀性控制：
- 实现了对EB-MoSe2层数的精确控制，这对于调控材料的物理性质至关重要。
- 通过控制氢气（H2）的流量和生长时间，实现了60微米尺寸的EB-MoSe2片的均匀生长。
3. 晶体质量和堆叠顺序：
- 所获得的EB-MoSe2片是3R堆叠的，具有高晶体质量和均匀性，这通过扫描透射电子显微镜（STEM）、二次谐波生成（SHG）、拉曼光谱等技术得到了证实。
4. 金属电极接触改善：
- 显著改善了EB-MoSe2与金属电极之间的接触，从而提高了载流子迁移率。
- EB-MoSe2晶体管的载流子迁移率达到了104 cm² V⁻¹ s⁻¹，远高于非均匀双层MoSe2（UEB-MoSe2）晶体管的12 cm² V⁻¹ s⁻¹。
5. 高载流子迁移率：
- 实现了与报道结果相比相对较高的载流子迁移率，这对于高性能2D光电器件的开发具有重要意义。
6. 光电性能提升：
- EB-MoSe2基场效应晶体管（FETs）展现出了优异的光电性能，包括更高的光响应度（responsivity）和更快的响应时间。
7. 密度泛函理论（DFT）计算：
- 利用DFT计算来阐明第二层MoSe2在金基底上的成核位置，提供了理论支持，说明了在金基底上进行底部成核的热力学和动力学优势。
8. 普适性：
- 提出的核刻蚀策略不仅适用于MoSe2，还可以推广到其他等双层过渡金属硫属化物（EB-TMDs）的生长。
总结来说，提出了一种打破常规逐层生长策略限制的成核刻蚀策略，用于合成具有高载流子迁移率的等双层二硫化钼（EB-MoSe2）片。第二层的成核发生在第一层之下而不是之上。当第二层的大小达到一定水平时，会在顶层的重叠晶界（OGB）位点发生刻蚀，使得两层MoSe2大小相同。生长出的60微米尺寸的EB-MoSe2为3R堆叠，具有高晶体质量和均匀性。此外，EB-MoSe2与金属电极之间的接触得到了极大改善，从而加速了载流子的传输。与非均匀双层MoSe2（UEB-MoSe2）相比，EB-MoSe2器件展现出更高的载流子迁移率（104 cm² V⁻¹ s⁻¹）和光响应度（230 mA W⁻¹），而UEB-MoSe2的载流子迁移率和光响应度分别为12 cm² V⁻¹ s⁻¹和19 mA W⁻¹。这项工作为合成具有高载流子迁移率的EB-过渡金属硫属化物（EB-TMDs）提供了一种可行的策略，这对于开发高性能的二维光电器件具有重要意义。
图 1. CVD 生长的 UEB-MoSe2 和 EB-MoSe2 薄片的形态比较。 (a) UEB-MoSe2 示意图。 在 SiO2/Si 基底上生长的 UEB-MoSe2 的 (b) 光学图像和 (c) AFM 图像。 插图显示了沿白色实线测量的高度轮廓。 (d) EB-MoSe2 示意图。 (e) 在金箔上生长的单晶 EB-MoSe2 的光学图像。 (f) 在 EB-MoSe2 薄片边缘测量的 AFM 图像和高度曲线（插图），通过电化学鼓泡转移方法将其转移到 SiO2/Si 基板上
图 2. 生长 EB-MoSe2 的成核蚀刻策略。 (a) 通过 SEM 表征的 MoSe2 随着生长时间的增加而发生的形貌变化。 所有比例尺均为 10 μm。 (b) 在第二阶段获得的双层 MoSe2 的横截面 HRTEM 图像。 (c, d) 计算出分别在 SiO2 (001) 和 Au (111) 表面上获得的 (c) Mo 和 (d) Se 原子的扩散势垒。 Mo和Se原子的迁移路径如图S9所示。 主要有五种不同的状态，包括初始状态（IS）、过渡状态1（TS1）、局部状态（LS）、过渡状态2（TS2）和最终状态（FS）。 (e) 从 Mo1Se6 到 Mo10Se27 的一系列 MoxSey 簇。 (f) MoxSey 团簇在 MoSe2 (001)、SiO2 (001) 和 Au (111) 表面上的形成能变化。
图 3. EB-MoSe2 的层数和均匀性。 SiO2/Si 基底上的 (a) 单层 MoSe2、(b) UEB-MoSe2 和 (c) EB-MoSe2 薄片的光学图像。 所有比例尺均为 20 μm。 (d) 拉曼光谱和 (e) PL 光谱取自 (ac) 中用不同颜色标记的 4 个位置。 (f−h) 分别为 EB-MoSe2 的 A1g、E2g 1 和 B2g 1 峰的强度映射。 所有比例尺均为 10 μm。
图 4. 通过 STEM 对 EB-MoSe2 进行结构表征。 (a) 转移到 TEM 网格上的 EB-MoSe2 薄片的低分辨率 STEM 图像。 比例尺为 2 μm。 (b) 从 (a) 中标记的四个不同位置获取的 SAED 图案。 紫色和橙色箭头代表两个晶面（100）和（010）。 所有比例尺均为 5 nm−1。 EB-MoSe2 的 (c) Mo 和 (d) Se 元素的 EDS 图。 所有比例尺均为 2 μm。 (e) 2H-stack 和 3R-stack 双层 MoSe2 的示意图和 (f) 模拟 STEM 图像。 所有比例尺均为 1 nm。 (g) EB-MoSe2 的代表性 HAADF-STEM 图像。 插图是从白色矩形中提取的元素强度分布。 比例尺为 2 nm。
图 5. 与 UEB-MoSe2 相比，EB-MoSe2 具有更高的载流子迁移率。 基于 (a) UEB-MoSe2 和 (b) EB-MoSe2 的 FET 器件示意图。 (c) UEB/EB-MoSe2 FET 器件的 Ids−Vds 曲线。 (d) UEB/EB-MoSe2 的传输特性 (Ids−Vgs) 和相应的对数曲线。 所有测量均在环境压力和室温下进行。 (e) 带有误差条的直方图显示了基于 UEB/EB-MoSe2 FET 的载流子迁移率的统计结果，根据图 5(d) 和图 S12。 (f) 根据表 S1 中的参考文献，文献中的 UEB-TMD（空心）、EB-TMD（实心）和本工作（星形）的载流子迁移率。 不同的颜色代表不同的测试条件。 SiO2和高k指的是两个不同的介电层。 AP和LP分别代表环境压力和低压。
文献：
Equal-Bilayer MoSe2 Grown by a NucleationEtching Strategy with High Carrier Mobility
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10120
