近日，华东师范大学胡志高教授、北京航天航空大学宫勇吉教授（共同通讯作者）等人报道了一种简易的熔融盐辅助CVD法，成功地合成了大尺寸和高质量原子层的SnS2。SnS2的横向尺寸可以长达410 µm，并且展现出良好的均匀性。通过原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）观察到SnS2在不同层间具有高质量2H堆积晶格。此外，基于超薄SnS2纳米片的场效应晶体管（FET）展现出高开/关比（~108）和高载流子迁移率（2.58 cm2V-1s-1），表明SnS2在低功耗FET中的潜在适用性。此外，二维SnS2的这种良好性能及其可控方法将使我们能够在储能应用中释放其电催化能力，例如析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）。该成果近日以题为“Large-Scale Growth and Field-Effect Transistors Electrical Engineering of Atomic-Layer SnS2”发表在知名期刊Small上。

过渡金属硫族化物（TMDs）是一种最常见的二维半导体材料，其化学式为MX2，其中由过渡金属（M=Mo、W、Re、Sn等）组成的原子平面夹在两个硫族原子平面（X=S、Se、Te）之间。二维TMDs具有独特的电子、光学、化学和热学性质，由于其在电子学、光学和催化等领域的潜在应用而引起了人们的极大关注。作为一种环保且丰富的半导体材料，二维SnS2在可持续清洁能源电催化、电子和光电等诸多领域有较丰富的应用。因此，高质量、大面积原子层SnS2的可控合成是实现其在催化和电子领域工业应用的第一步。而目前二维SnS2的制备主要是机械剥离（ME）和化学气相沉积法（CVD）。机械剥离制备TMDs缺乏对尺寸，均匀性和厚度的可控性，生产效率低，无法大规模合成，限制了其在电学和催化方面的工业化应用。由于其在材料形貌，缺陷和结构方面的精确控制，化学气相沉积方法是目前制备大尺寸和高质量TMDs最成功的方法。因此，为实现产业化，使用CVD方法制备可控层数的大面积和高质量SnS2仍然需要进一步研究。

图一：超薄SnS2纳米片的制备及表征

（a）通过CVD合成SnS2的过程示意图。（b）低放大倍率的光学图像，显示出高收率的SnS2原子层。（c-d）SnS2单晶的典型光学显微镜图像。（e-f）生长的SnS2的SEM图像。（g）所得双层SnS2的 AFM图像，插图是沿（g）中白色虚线的高度轮廓。

图二：生长SnS2纳米片的组成和化学状态

（a）XPS光谱，显示了S 2p和Sn 3d的结合状态。（b-c）三角形SnS2单晶的光学图像，以及A1g模式的相应拉曼mapping图像。（d）具有不同层的超薄SnS2的光学显微镜图像，并标出了层号。（e）SnS2层从双层到少层的拉曼光谱，激光波长为532 nm。（f）SnS2的A1g拉曼模式的频率（左垂直轴）和峰强度（右垂直轴）与层厚度的关系。（g）在不同温度下双层和少层SnS2的拉曼光谱。（h）不同层SnS2下A1g模式的拉曼光谱峰位置随温度的变化。（i）对于不同的层状SnS2，A1g模式的FWHM与温度的关系。

图三：确认KI辅助生长的SnS2的原子结构和质量

a）样品的常规TEM图像。（b）SnS2的ADF-STEM图像插图显示了相应的FFT模式，显示出晶体具有六方结构和高晶体质量。（c）SnS2的ADF‐STEM图像显示出其完美的六边形结构，插图显示放大的TEM图像。（d-f）分别对SnS2，Sn和S进行相应的EDS mapping图像。（g）SnS2的六边形结构的侧视图和俯视图的示意图。

综上所述，作者通过KI辅助CVD方法合成了横向尺寸最大为410 µm的大尺寸高质量超薄SnS2。使用盐可以降低反应物的熔点并促进中间产物的形成，这可能有助于为大尺寸纳米片的生长形成稳定的条件，为二维TMDs在电子和光电领域的应用铺平道路。在当前条件下，已生长的SnS2纳米片可以减薄至1.5 nm（双层）。特别地，该超薄SnS2纳米片基FETs表现出出色的性能，包括高迁移率（2.58 cm2V-1s-1）和高开/关比（~108），优于其他已报道的基于SnS2的FETs。此外，作者还系统地研究了温度对电性能的影响。温度低于275 K时，迁移率受到带电杂质的散射的限制。电子-声子散射是高温下的主要机理。宽带隙的二维SnS2如此出色的性能及其可控合成可能为新兴二维材料在电催化、电子和光电子学的未来应用中打开机遇。

参考文献：Large‐Scale Growth and Field‐Effect Transistors Electrical Engineering of Atomic‐Layer SnS2 (Small, 2019, 1904116)