鹽簡化2D二硫化鉬形成的過程

鹽（NaCl）在2D二硫化鉬的化學氣相沉積生長中起到了仲介作用，加快了其生成過程。萊斯大學的材料理論家發現NaCl和前體形成共晶，其熔化溫度比它們中的任何一個都低。

來自萊斯大學實驗室的材料理論家Boris Yakobson在其2018年的後續研究中展示了原因，該研究說明了NaCl是如何簡化有用的二維二硫化鉬（MoS₂）的創建過程的第一原理分析，可以能夠對其進行更多的改進。

Yakobson和合作者Jincheng Lei, Yu Xie和 Alex Kutana等人進行的理論研究顯示，為什麼NaCl，特別是碘鹽，傾向於通過模擬原子級能量降低被認為對開發MoS₂至關重要的化學氣相沉積（CVD）爐中的反應溫度。

（圖片來源：Bedanga Sapkota /自然通訊）

NaCl是通過幫助跳過傳統CVD生長中的幾個步驟和跳過高能量障礙來提供更多的MoS₆，它被認為是二維MoS₂的必要前體。這項研究發表在《美國化學學會雜誌》上，集中討論了NaCl如何減少活化障礙以改善鉬氧鹵化物的硫化，鉬氧鹵化物是MoS₂結晶的氣體原料。

MoS₂是一種以輝鉬礦為名的天然化合物。此外，二維形式的MoS₂因其半導體特性而備受青睞，這為光電子、電子、自旋電子、催化和醫療應用等領域的發展帶來了希望。然而，二維MoS₂仍然難以以商業數量製造。

最初，當新加坡、中國、日本和臺灣的實驗室利用NaCl來製作一個所謂的整合過渡金屬和黃銅的二維材料“庫”時，萊斯小組開展了研究。

相對而言，即使是理論上的良好功能的材料也是一個難題，從而促使他們求助於Yakobson實驗室在材料建模方面的專業知識。他們的大量模型顯示，雖然國際實驗室利用氯鹽來創建他們的材料庫，但一般碘化物NaCl在加速MoS₂的合成方面更有優勢。

快速和大規模的合成對於MoS₂的廣泛應用是必不可少的。我們仔細研究了整個生長過程，希望能盡可能地優化它。結果發現，只要將氯化物改為碘化物，就可以在更低的生長溫度下更快地合成2D二硫化鉬。

（圖片來源：Jincheng Lei/Yakobson研究小組）

當NaCl和前體結合形成共晶時就會發生這種情況，共晶是一種物質的混合物，在單一溫度下熔化和凝固，與成分的熔點相比要低。

在鹽輔助合成被證明能夠使許多TMD（過渡金屬二氯化物）化合物的生長比以前可能的要多，並顯著改善了以前合成的化合物的生長條件之後，人們清楚地認識到這一過程有其特殊之處。

萊斯大學材料科學與納米工程系的Bets補充說：“一些實驗小組試圖進一步調查，但監測生長條件下氣相的分子組成並不是一項簡單的任務。即使這樣，你也無法看到全貌。”

“我們非常徹底，對Jincheng關於傳統2D二硫化鉬生長機制的工作進行了跟進。我們類比了該過程的所有部分，從硫化到二維晶體生長。這種更加全面的方法得到了回報，” Bets補充說。

在模擬中，來自萊斯大學的研究小組能夠直接觀察到完整的硫化過程，因為在CVD條件下，一般前體MoO₂Cl₂中的氯原子和氧原子逐漸被硫取代。該實驗室表示，共晶效應可能被認為是二維二氯化物單層CVD合成中的一種常見現象，因此值得繼續研究。

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