化学气相沉积法合成WS2xSe2(1-x)单层合金的可调带隙机制及其生长动力学研究

研究人员通过盐辅助化学气相沉积(CVD)技术，系统研究了WS2xSe2(1-x)单层合金的可控制备与带隙调控机制。通过调节硫(S)/硒(Se)前驱体比例实现1.61-1.97 eV连续带隙调谐，发现三方向择优生长的S富集核心相主导生长过程，场效应晶体管(FET)测试揭示从WS2的n型到WSe2的p型导电性渐变规律，为二维材料能带工程提供新策略。

　　

二维过渡金属二硫属化物(TMDs)因其独特的电子结构和光学特性，已成为纳米电子学和光电子学领域的研究热点。其中钨基化合物WS₂和WSe₂单层材料分别具有1.97 eV和1.61 eV的直接带隙，展现出从n型到p型的本征掺杂特性。然而，要实现这些材料在光电探测器、晶体管等器件中的实际应用，必须解决带隙精确调控和可控合成的关键科学问题。传统体相半导体通过合金化实现能带工程的方法，在二维材料体系中面临生长机制不明确、成分不均匀等挑战。

针对这一难题，韩国国家研究基金会支持的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了关于WS_2xSe_2(1-x)单层合金的研究。该工作采用NaCl辅助CVD方法，通过精确调控S/Se前驱体质量比，成功制备出成分可调的WSSe合金单层。研究结合原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱和光致发光(PL)等多尺度表征技术，发现合金单层中存在以三方向择优生长的S富集核心相，揭示了非平衡生长动力学主导的独特生长机制。电学测试表明随着Se含量增加，材料导电类型从WS₂的n型逐渐转变为WSe₂的p型，实现了连续可调的电子特性。

关键技术方法包括：1) NaCl辅助CVD系统构建，采用WO_2.9/NaCl(10:1)前驱体和可调S/Se比例；2) OM/AFM形貌分析；3) 拉曼光谱与PL光谱联用测定带隙变化；4) 基于合金单层的FET器件制备与电学测试。

【生长机制】短时生长实验结合形貌分析表明，WSSe合金遵循三方向择优生长模式，初始形成S富集核心相，随后Se逐渐掺入晶格。拉曼光谱中E¹_2g和A_1g模的峰位移动证实了合金成分梯度分布。

【带隙调控】PL光谱显示发射峰从纯WS₂的1.97 eV红移至WSe₂的1.61 eV，且合金带隙与成分比呈非线性关系，说明存在局域应变效应。

【电学特性】FET测试揭示载流子迁移率与成分的关联性，当x=0.5时呈现双极导电行为，为构建互补逻辑电路提供了材料基础。

该研究的重要意义在于：首次阐明了盐辅助CVD生长WSSe合金的动力学机制，建立了成分-结构-性能的定量关系，为二维材料能带工程提供了普适性合成策略。所发现的非平衡生长模式对理解其他二维合金体系的生长具有启示作用，成分梯度分布特性可应用于光电器件有源区设计。研究成果将推动二维材料在柔性电子、能谷电子学和光催化等领域的应用发展。