探索單層二硫化鎢量產之路

石墨烯被稱為材料之王，但是，石墨烯是零帶隙二維材料，不能作為電晶體的溝道層，限制了自 身在納米電子器件、光電轉換等方面的進一步應用。

目前，另一類二維過渡族金屬硫族化合物引起了人們的廣泛重視，如二硫化鉬、二硒化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢等，均有著與是石墨烯相似的六方/三方結構，更有著合適大小的帶隙，表現出與石墨烯不同的半導體性質。這其中，二維的二硫化鎢正是其中的重要研究物件，特別是單層二硫化鎢，不僅其帶隙～2.0eV正好處於可見光範圍，而且是一種直接帶隙半導體，有著突出而獨特的光電性能，是目前材料科學和凝聚態物理研究領域的新熱點。

只不過，二硫化鎢的局限也很明顯，目前國內外尚無可行的工業量產方案，這導致了單層二硫化鎢的價格居高。因此，如何實現大面積、高品質完全單層的二硫化鎢的生長和低成本轉移，成為單層二硫化鎢乃至整個二維材料研究領域的難點和迫切需求。

近來，有著名學者發表了一篇有關於大面積高品質製備單層二硫化鎢的學術，該方法具有產物品質高、尺寸大、層數均一性和可控性好、生長視窗寬以及易於操作和放大等優點，可作為一種低成本大量製備大面積單層二硫化鎢的單晶及連續薄膜的理想方案，方案有主要過程如下：

採用常壓化學氣相沉積技術，以金為生長基體，利用金中鎢溶解度極低以及金可以催化鎢源硫化的特點，使鎢源和硫源高溫下在金基體表面催化反應，自限制生長出高品質完全單層的二硫化鎢的大尺寸單晶和大面積連續薄膜。 該方法所得二硫化鎢為完全單層，均一性好，品質高。二硫化鎢的面積取決於所使用的金基體的面積(1英寸管徑反應爐所得二硫化鎢面積可達5cm²以上)。

1、採用水準式反應爐生長單層二硫化鎢，石英管作為 反應器，石英管內徑為22mm，石英管兩端分別設有氣體入口和氣體出口。將盛有三氧化鎢粉末的石英舟置於水準式反應爐高溫區，金基體置於三氧化鎢粉末上方1～10mm處，不接觸三氧化鎢粉末，熱電偶位於水準式反應爐高溫區，以即時監控反應溫度；盛有硫單質 (如：硫粉、硫片或硫塊)的石英舟置於水準式反應爐爐外的石英管內的上游，用置於石英管外的加熱器 ，加熱器單獨對硫單質控溫加熱，以產生硫蒸汽。

2、將多晶金片(厚度 100μm，長×寬＝20mm×10mm)放到丙酮、水、乙醇中分別進行超聲清洗30min。 清洗完成後，把金片放到高溫爐中，在1000℃下退火10h，使單個晶粒達到毫米級。然後，將退火後的金片放置于水準式反應爐(爐管直徑22毫米，反應區長度 40毫米)中央區域(反應區，在此位置有熱電偶即時監測爐溫)；在氬氣的氣氛 中加熱至800℃(加熱過程中氬氣流速為500毫升/分鐘，升溫速度40℃/分鐘)，熱處理10分鐘；熱處理完成後，啟動加熱器至200℃，開始生長二硫化鎢，生長時間為5小時，生長結束後以5℃/s的速度慢速冷卻至300℃以下，得到大尺寸單晶二硫化鎢。

光學顯微鏡和共振鐳射拉曼光譜、螢光光譜觀察表明，所得二硫化鎢為大尺 寸單層單晶結構。最大尺寸接近1毫米，二硫化鎢結構連續完整無破損，具有較 高品質，且所有區域均為單層。並且，工藝指令引數穩定，具備實現大面積單層二硫化鎢的低成本連續化量生的條件。

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