二维二硫化钼催化动力学生长：气-液-原子-固态（VLAS）生长机理

近年来，二维原子晶体材料在柔性电子器件和光电器件领域的表现突出，它的可控合成备受学者关注。目前，化学气相沉积法作为二维材料最为可控的合成方式，无论是均相成核还是异相成核，通常可以生产出高质量的单晶薄片，而之后薄片可连接成大面积薄膜。非对称晶体形貌或其表面在生长时，应遵循Wulff结构，使表面自由能最小化。对二维材料生长的研究中，已有大量研究表明二维二硫化钼在近平衡的条件下，会生长出三角形或偶然生长出六边形单晶薄片；与此相比，二维或者其他晶体在非平衡的条件下生长，会生长出树突状或沉淀状等低对称形貌。

近日，香港城市大学化学系（CityU CHEM）以及超金刚石薄膜研究中心(COSDAF)李淑惠（Thuc Hue Ly）研究小组报道了新的气-液-原子-固体（VLAS）生长机理——顶角处的催化剂颗粒协同捕获多个气相分子以及沿相邻边缘的饱和原子扩散过度，快速且可控地合成高质量的高指数晶面（边缘）和其它非Wulff形状的二维过渡金属硫族化合物。对生长衬底进行等离子预处理，而后在衬底上喷撒雾化的氯化钾作催化剂，在非平衡条件下，成功生长出具有高指数晶面或者高对称形貌的二维二硫化钼单晶，推进了二维MoS₂学气相沉积（CVD）的动力学生长。基于晶体表面动力学不稳定性的理论，本工作指出了平直高指数晶面（边缘）的生长机理。

图1. 气-液-原子-固体（VLAS）生长机理示意图。

香港城市大学团队在二维材料生长过程中发现，活性生长位点不仅仅局限在局部催化剂颗粒位置，还会影响到催化颗粒相邻边缘的生长，从而实现这种独特的气-液-原子-固体（VLAS）生长过程。原子沿边缘的扩散可以使整个边缘连续生长，从而产生具有高指数晶面（邻近边缘）或形成对称形状的二维材料，这在普通CVD生长条件下难以实现。因此这种新的VLAS催化动力学生长方法（盐催化剂加表面等离子体处理等），为二维材料的边缘和形态控制提供了新的方法，也为二维材料的应用领域（例如电催化和器件制造）提供了新的可能。

图2. a. 二维二硫化钼的不同角度树枝状薄片的暗场光学图片。b. 二硫化钼原子结构示意图，其相邻平面为｛100｝。Mo原子为蓝色，S原子为黄色。c. 催化生长和相关原子输运的示意图。d. 通过动力学方法生长的双层二维二硫化钼薄片边缘的透射电子显微镜图像。高指数边缘（白色虚线）中的原子台阶由红色三角形标记。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，香港城市大学博士研究生黄玲莉为该文章的第一作者，香港城市大学李淑惠教授和香港理工大学赵炯教授为该工作的共同通讯作者。这项工作由香港城市大学、国家自然科学基金、香港研究资助局、深圳科技创新委员会等支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Catalyzed Kinetic Growth in Two-Dimensional MoS₂

Lingli Huang, Quoc Huy Thi, Fangyuan Zheng, Xin Chen, Yee Wa Chu, Chun-Sing Lee, Jiong Zhao, Thuc Hue Ly

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05057

李淑惠博士简介

李淑惠，香港城市大学化学系和材料系(兼)助理教授，超金刚石薄膜研究中心(COSDAF)核心成员。2015年于韩国成均馆大学毕业取得博士学位，师从Lee Young Hee教授。2015年至2017年在韩国基础科学研究所CINAP工作，2017年八月起就职于香港城市大学。李淑惠教授的研究领域是二维原子晶体材料的合成，缺陷和应用研究。已在相关领域发表30余篇重要文章，包括以第一或者通讯作者发表的JACS、Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Letters 等。

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