米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米材料研究部[研究主任佐佐木刚] Kimihiro Hayashi，合作研究员（日本学术振兴会（JSPS）特别外国研究员）和新加坡南洋理工大学过渡金属我们开发了一种简单的合成方法，可以在基板上生长一种称为硫族化物的物质作为二维单原子薄膜。
石墨烯等二维材料有望用作下一代纳米器件的组件，因为它们可以用极薄的材料实现从金属和半导体到超导性的各种电子特性。然而，许多二维材料作为单原子薄膜不稳定，不能直接在电子元件基板上生长。
新开发的合成技术是化学气相沉积（CVD）法使用，但将盐(NaCl、KI)添加到过渡金属源中并熔化，并且使用载气硫属元素以前很难通过供应源生产的各种过渡金属硫族化物可以直接在硅衬底上合成和生长。此次，研究人员成功合成了47种过渡金属硫族化物的单原子薄膜，其中包括具有超导特性的二硒化铌，并且利用日本产业技术研究院的尖端电子显微镜技术，发现所合成的二维材料质量优良，缺陷和杂质很少。使用该合成技术开发的单原子薄膜场效应晶体管 (FET)和二极管，有望在未来为纳米电子领域做出贡献。
该技术的详细信息于2018年4月19日（当地时间）发表在英国学术期刊上自然
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| 通过向各种过渡金属源中添加盐，将其熔化并提供硫族源，轻松合成各种单原子薄膜 |
近年来，包括石墨烯在内的一个原子厚度的单原子薄膜和几个原子厚度的薄膜的物理性质引起了人们的关注。特别是过渡金属硫属化物，它是过渡金属和硫属元素的组合，具有与石墨烯不同的性质，并且由于其半导体性质和高电子迁移率，有望用作下一代纳米电子器件（如FET和二极管）的组件材料以及超导体。然而，过渡金属硫族化物中，能够稳定生长的单原子薄膜是二硫化钼（MoS2) 和二硒化钨 (WSe2）等几种类型，并且表现出超导性。2) 和二碲化铌 (NbTe2)是不可能的。尽管有一种方法可以从块状或堆叠材料上机械剥离单原子薄膜，但难以获得大面积的单原子薄膜，并且难以处理剥离的薄膜，使其难以应用于器件。因此，为了在电子领域广泛应用单原子薄膜等二维材料，需要一种能够在衬底上直接制备各种高质量单原子薄膜的技术。
在 AIST，尤其是纳米材料低维物质的研发，对包括过渡金属硫族化物单原子薄膜在内的二维材料进行了从原子级结构分析到应用研究的广泛研究。特别是，我们在使用电子显微镜进行材料评估和质量评估方面拥有丰富的经验，我们为世界上无与伦比的技术感到自豪，该技术使我们能够观察影响先进材料性能的缺陷和杂质。特别是对样品造成的损害较小，可以保存很多年低加速电子显微镜利用这项技术，即使是那些太脆弱而无法用普通电子显微镜观察的材料，例如单原子薄膜，也可以在原子水平上进行精确的观察和分析。另一方面，新加坡南洋理工大学在先进材料的合成和应用方面拥有丰富的经验，在二维过渡金属硫系材料方面开展了前沿研究。这次，我们利用AIST的材料评估技术和新加坡南洋理工大学的材料合成技术，开发了过渡金属硫属化物单原子薄膜的简单合成方法。
这项开发得到了日本科学技术振兴机构战略基础研究促进项目（研究加速项目）“开发用于在原子水平上分析物质和生命功能的低加速电子显微镜”（2012-2019 财年）和 JSPS“特别外国研究员制度”（2016-2019 财年）的支持。
氯化钠 (NaCl) 等盐以及二硫化钨 (WS) 可用于在相对较低的温度下形成陶瓷粉末。2) 和二硒化钨 (WSe2)用于促进单原子薄膜的生长。因此，我们现在开发了一种技术，可以使用盐的 CVD 工艺（熔盐 CVD 法）在基材上轻松合成许多传统上大量存在但难以制造成单原子薄膜的过渡金属硫属化物作为单原子层。
将硅衬底放置在炉中，将过渡金属源(金属或金属氧化物)和盐以10:1至16:1的重量比混合，并放置在面向硅衬底的氧化铝舟中。作为盐，使用NaCl或碘化钾(KI)。过渡金属源具有极高的熔点，通常难以用作CVD法的原料，但添加盐可显着降低熔融温度，使得CVD法的应用成为可能。当炉子加热到600～850℃时，过渡金属源和盐由于盐的作用而熔化。然后，通过将硫族元素作为载气送入炉内，可以在硅衬底上合成过渡金属硫族化物单原子薄膜（图1）。使用氩气或氩气和氢气的混合气体作为载气，通过改变载气的质量流量（氩气：20至120sccm，氢气：0至20sccm）可以控制过渡金属硫属化物单原子膜的尺寸（图2）。
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| 图1熔盐CVD法合成过渡金属硫族化物单原子薄膜的概要 |
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| 图2 传统方法制备的多层薄膜（左）和本次合成的高质量单原子薄膜（右） |
| 可以合成最大200μm的单晶薄膜。由于其品质优良，因此具有反映晶体结构的形状（三角形）。层数和尺寸的均匀性与使用不使用熔盐的传统方法制备的薄膜显着不同。 |
通过开发的方法，实际用于单原子膜合成的过渡金属是钛（Ti）、锆（Zr）、铪（Hf）、钒（V）、铌（Nb）和钽（T）。 a) 硫属元素有钼（Mo）、钨（W）、铼（Re）、铂（Pt）、钯（Pd）、铁（Fe）12种，硫属元素有硫（S）、硒（Se）、碲（Te）3种。由此，总共合成了47种单原子薄膜，其中包括32种二元系（由两种元素组成的单原子薄膜）、13种合金和2种异质结构化合物。其中，35种过渡金属硫属化物的单原子薄膜是新的，以前从未合成过。二维材质构成单原子膜的元素多种多样，不仅可以合成二元系，还可以合成五元系（由五种不同元素组成的单原子膜）。
在该熔盐CVD方法中用作盐的NaCl和KI价格低廉且容易获得。此外，合成不需要特别复杂或昂贵的材料。由于它可以在硅等容易获得的基底上合成，因此有望在电子设备中具有广泛的应用。
使用日本产业技术研究院独创的低加速电子显微镜（扫描透射电子显微镜）对本次合成的单原子膜进行分析后发现，可以在基板的任意位置直接制作单原子膜。此外，与使用传统方法合成的二维材料相比，已证实该晶体是均匀的，缺陷和杂质很少，并且质量极高。当我们研究合成的单原子薄膜的性能时，我们发现它具有良好的质量，表现出高电子迁移率和尖锐的超导转变。此外，首次合成的单原子薄膜包括以前不存在的五种不同元素组成的二维材料，以及超导体和二元材料。拓扑绝缘体、电荷密度波是啊非线性光学，表现出迄今为止在单原子薄膜中未曾见过的物理特性。这项研究的结果预计将有助于广泛的研究领域，从低维材料物理性质的基础科学到其作为未来纳米电子学电子器件材料的实际潜力的研究。
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| 图3 本次合成的二元系（上）和五元系（下，3种过渡金属和2种硫属元素）单原子薄膜 |
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（左）光学显微镜图像：在硅基板上生长最大尺寸为 200 μm 的单原子薄膜单晶。它以三角形或六角形生长，反映了其晶体结构。
（中）高分辨率电子显微镜图像：在二元系统中，亮点是硒原子，暗点是铌原子。可见缺陷和杂质极少。在五元素系统中，观察到不同的原子种类具有不同的亮度。
（右）模型图：在二元系统中，铌原子和硒原子排列成六方晶格。在五元体系中，过渡金属和硫族元素排列成六方晶格。原子空位 (Vs) 等结构缺陷极为罕见。
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未来，我们将利用AIST的电子显微镜技术，直接实时观察过渡金属硫族化物单原子薄膜的生长过程，从原子水平阐明盐如何参与单原子薄膜的生长，为未来二维材料的发展找到新的指导方针。此外，着眼于过渡金属硫族化物单原子薄膜在薄膜、高效太阳能电池、平面场效应管、超级电容器等领域的应用，我们将与新加坡南洋理工大学合作，开展器件材料特性表征基础研究，并于2020年左右开始产业界参与的实际应用研究。