导读
近日，美国宾夕法尼亚州立大学团队首次探索出新方法，改善了化学气相沉积法合成的二维材料的性能。此外，该校另一个团队使用掺杂工艺，将外来的铼原子掺杂到二硫化钼薄膜晶格中，改善其性能。这两项研究将有利于二维材料在电子、光子和存储等领域的应用。
背景
年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（AndreGeim）和康斯坦丁·诺沃消洛夫（KonstantinNovoselov）成功分离出一种由单层碳原子组成的蜂窝状结构材料——石墨烯（graphene）。
图片来源：TatianaShepeleva/Shutters
伴随着石墨烯的发现，二维材料的概念也随即被提出。二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。典型的二维材料包括：石墨烯、氮化硼、过渡族金属化合物（二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨）、黑磷等。
时下，二维材料已成为热门的前沿科技领域之一。二维材料通常是由一层或者几层原子组成薄膜，因此非常轻薄，并具有十分优异的电气、机械、热学、光学特性。
如今，二维材料已经广泛应用于各个领域，例如：自旋电子、印刷电子、柔性电子、微电子、存储器、处理器、超透镜、太赫兹、超级电容、太阳能电池、防伪标签、量子点、传感器、半导体制造、NFC、医疗等。
微机械剥离法（即从大块的材料上剥离出一薄层）和化学气相沉积法（将气体前体冷凝到衬底上）是制造二维材料两种常用方法。前一种方法可以提供更高质量的材料，但是对于制造设备来说不实用；后一种方法可以很好地应用于工业领域，但是产出的二维材料薄膜性能较低。
创新
为什么化学气相沉积法合成的二维材料的性能，会比理论预测的差几个数量级？近日，美国宾夕法尼亚州立大学的团队首次给出了新的理解。为了改善二维材料在未来的电子、光子和存储应用中的性能，他们探索出了新方法，并将研究成果发表在最近一期的《科学报告（ScientificReports）》杂志上。
（图片来源：参考资料）
此外，宾夕法尼亚州立大学研究人员带领的研究小组还进行了另外一项相关研究，他们使用掺杂工艺，将外来的原子掺杂到薄膜的晶格中，从而改变或者提升材料的特性。他们将这项研究成果发表在这周的《高级功能材料（AdvancedFunctionalMaterials）》杂志上。
来源：DonnaDeng/宾夕法尼亚州立大学
技术
宾夕法尼亚州立大学的材料科学与工程系副教授、博士研究生KehaoZhang表示：“我们在蓝宝石衬底上生长出了二硫化钼，一种非常有前途的二维材料。蓝宝石本身是氧化铝。当铝处于衬底顶层时，它会将电子传给薄膜。这种大量的负掺杂（电子含有负电荷）限制了光致发光的强度和载流子寿命，对于所有的光电应用例如光伏和光敏元件来说，这两个特性都很重要。”
一旦发现铝将电子传递给薄膜，他们就会采用一种以某种方式切开的蓝宝石衬底，接触氧气而不是表面的铝。这样就会将光致发光的强度和载流子寿命提高百倍。
第二篇论文的领导作者Zhang表示：“人们之前尝试过掺杂，但是由于与蓝宝石衬底之间的交互遮蔽了掺杂效应，他们无法对于掺杂的影响进行去卷积。”
采用第一篇论文中的氧端基衬底表面，团队通过在二硫化钼二维薄膜中掺杂了铼原子，消除来自衬底的遮蔽效应。
Zhang表示：“我们对于材料上的铼原子掺杂效应进行了去卷积。通过这种衬底，我们可以达到一个原子百分率，这是迄今为止报道的最高掺杂浓度。一个出乎意料的好处就是，将铼掺杂到晶格中，钝化了25%的硫空位。对于二维材料来说，硫空位是一个存在已久的问题。”
价值
掺杂解决了两个问题：对于晶体管和传感器等应用来说，它使得材料更加导电；同时，它通过改善所谓的“硫空位”缺陷，提高了材料的质量。团队预测，更高的铼掺杂将完全消除“硫空位”带来的影响。
Zhang表示：“我们整个工作的目标就是推进这种材料达到技术上的相关水平，这意味着让它可应用于工业。”
关键字
二维材料、晶体管、传感器
参考资料
