基于盐辅助化学气相沉积法的钨掺杂及扭曲多层MoS2纳米结构可控合成与性能研究

本研究针对二维过渡金属硫化物(TMDs)中W掺杂与层间扭曲结构可控合成的难题，采用高能球磨(HEBM)结合盐辅助化学气相沉积(SACVD)技术，通过调控MoO3/WO3前驱体研磨时间(1-3h)与生长温度(800-840°C)，成功制备出具有B激子强发射特性的W掺杂扭曲多层MoS2纳米棒/片。拉曼位移(A1g模式)与HRTEM证实了钨原子掺杂引发的晶格畸变及0.69nm层间距扩展，为二维材料性能调控提供了新范式。

　　

二维过渡金属硫化物(TMDs)因其独特的能带结构和强自旋轨道耦合效应，在电子器件和光电器件领域展现出巨大潜力。其中，二硫化钼(MoS₂)作为典型代表，通过掺杂和层间转角调控可实现能带工程，但传统方法难以同步实现精确掺杂与可控扭曲。现有研究多采用机械堆叠法制备扭曲双层结构，而直接在化学气相沉积(CVD)生长过程中通过掺杂诱导扭曲的机制尚不明确，这严重制约了材料性能的可控设计。

为解决这一挑战，墨西哥圣路易斯波托西理工学院的研究团队创新性地将高能球磨(HEBM)与盐辅助化学气相沉积(SACVD)相结合，系统研究了MoO₃/WO₃前驱体研磨时间(1-3h)和生长温度(800/840°C)对材料特性的影响。研究采用532nm激光拉曼光谱、高分辨透射电镜(HRTEM)和光致发光(PL)等技术，揭示了W掺杂浓度与扭曲角度的关联规律，相关成果发表在《Materials Chemistry and Physics》。

关键技术方法包括：(1)采用SPEX球磨机对α-MoO₃/γ-WO₃混合粉末进行1-3小时机械活化；(2)以NaBr为矿化剂，在双温区管式炉中实现SACVD生长；(3)通过纤维素乙酸酯辅助转移技术获得洁净样品；(4)利用1800线/mm光栅的共聚焦拉曼系统检测层间耦合效应。

【结果与讨论】
材料表征显示：经3小时球磨的样品在840°C生长时形成均匀纳米棒，其A_1g拉曼模式产生4.2cm^-1红移，证实W成功掺入Mo位点。HRTEM观察到3-5层扭曲域，层间距从标准0.62nm扩展至0.69nm，这种晶格畸变源于W⁴⁺(0.68?)与Mo⁴⁺(0.65?)的离子半径差异。光致发光谱中B激子发射强度较A激子提高37%，表明掺杂诱导了强自旋-能谷耦合。

生长机制分析表明：延长球磨时间可减小前驱体粒径至亚微米级，增加WO₃表面活性位点，促进WS₂单元掺入MoS₂晶格。温度升高至840°C时，硫蒸气分压提升使得W-S键形成能降低，掺杂效率提高1.8倍。拉曼映射显示E_2g¹模式半高宽增加2.3倍，证实扭曲域引入的声子散射增强。

【结论】
该研究开创性地通过机械化学活化与SACVD协同策略，实现了W掺杂浓度与扭曲角度的同步调控。实验证实：1) 球磨时间决定掺杂均匀性，3小时处理可使W原子分布变异系数降至12%；2) 840°C生长温度下形成的扭曲域占比达68%，显著优于常规CVD样品；3) 层间耦合减弱导致介电屏蔽增强，使B激子发光强度提高至本征MoS₂的2.1倍。这项工作为二维TMDs的能带工程和激子调控提供了新思路，在量子发光器件和自旋电子学领域具有重要应用价值。