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Mater Adv封面：晶圆级二维材料硫化铂及光电子学应用，济南大学逄金波-刘宏/南方科大杨烽/中科院深圳先进院王晓

研究背景：

自从石墨烯被发现以来，二维层状材料因优异的光电性能一直是研究的热点，而二维非层状材料也因为其独特的物理和化学性质，在尺寸受限的情况下，引起了人们极大的研究兴趣。硫化铂作为最常见的铂族矿物之一，由于天然产物纯度较低或合成压力极高，并且PtS不能通过机械剥离其三维母体而变薄。与其他二维材料相比，PtS作为物理现象研究平台的研究较少。目前还没有大面积均相合成路线的提出和发布。因此，单硫化铂(PtS)二维膜已成为拉曼光谱和X射线光电子能谱分析等基础性质研究以及器件探索的后起之秀。

 

文章介绍：

针对PtS的形成机理不明晰和大面积均相合成路线的尚未提出，近日，济南大学逄金波-刘宏教授团队等报道了一种简单的金属硫化策略合成4英寸晶片尺度的PtS薄膜。增强的表征工具被用来彻底分析晶体结构、化学环境、振动模式和原子构型。此外，此外，通过理论计算绘制了Pt-S化合物的相图，表明在我们的合成条件下成功地形成了PtS。相关研究工作以“A wafer-scale two-dimensional platinum monosulfide ultrathin film via metal sulfurization for high performance  photoelectronics”为题发表在英国皇家学会Journal of Materials Chemistry A/B/C和Materials Horizons系列姊妹期刊Materials Advances (Mater. Adv. 2022, 3, 1497.)，并获选内封面(Mater. Adv. 2022, 3, 1308.)。

 

 

            

图文解析

I) PtS薄膜的合成、结构与基础表征

采用CVD法合成PtS薄膜，展示了PtS晶体原子透视图和基础表征，证明成功合成了PtS薄膜

图1. 用金属膜加硫化的方法合成4英寸晶片尺度的PtS薄膜。(a) 金属硫化合成路线方案。(b) 4寸晶圆级PtS薄膜图像。(c) PtS薄膜的原子力显微镜图像，(底部)面板中绘制的线的高度剖面(c)。(d) 具有代表性的PtS样品的拉曼光谱。(e) PtS晶体原子构型的透视图(Pt，蓝色；S，洋红)。(f)模拟电子衍射和(g) PtS薄膜沿[001]方向的原子分辨率成像。假(彩虹)彩色图像处理用于引导眼睛，蓝色代表Pt原子，浅黄色代表S原子。(h)模拟电子衍射和(i)PtS薄膜沿[021]方向的原子分辨率成像。大的洋红色圆点代表铂原子，小的蓝色圆点代表S原子。

II) PtS薄膜的化学灵敏的高角度环形暗场扫描TEM(HAADF-STEM)表征。

扫描透射电子显微镜图像显示了PtS的[001]和[021]取向的结构。

 

               

图2. PtS薄膜的原子分辨率成像。(a) PtS的STEM图表。(b) 从面板(a)中的虚线正方形标记区域导出的快速傅立叶变换(FFT)图案。(c) 模拟了PtS在[001]方向的电子衍射图。(d) 实验特写视图和(e) PtS沿[001]方向的相应模拟HAADF-STEM图像。文中还给出了PtS的叠加模型。(f)沿[001]区轴的PtS原子模型。PtS的(g) Pt 4f和(H)S 2p峰的XPS谱。(i) PtS的初级细胞结构。

III) Pt-S化合物相图

          

图3. 铂硫化物的计算相图。(a) 在不同生长温度 T 和硫蒸气分压 P 下，PtS₂的形成与硫掺入反应中的化学势有关。(b) PtS₂和 PtS₂在不同生长温度 T和硫分压 P 下的相图，∆G < 0出现在 PtS₂ 区域，∆G > 0出现在 PtS₂区域。在边界处，反应 PtS + S = PtS₂的 ∆G = 0。

 

我们的计算结果可以为选择适当的参数窗口以合成化学计量或有缺陷的过渡金属二硫属化物（例如 PtS2、MoS2 或 PdS2）提供一般指导。例如，通过调节压力和温度，即提高硫的分压和降低反应温度，可以获得化学计量的富含 MS2 的薄膜（这里 M 表示金属）。类似地，通过调节低硫压力和高温的生长参数，可以选择性地生长亚化学计量的 MSx (1≤x<2)，即含有 S 空位。此外，S 缺陷缺陷也可以通过施加外力来诱导，例如超声处理 48 激光照射 49、50 等离子体处理 51 或真空热退火 52

IV) PtS光电器件

PtS薄膜光电探测器性能

 

          

图4. 基于PtS的光电探测器的性能。(a) 该装置的方案。(b) 该器件的光学显微照片。(c) PtS的B_1g模式的拉曼测绘。(d) 激光功率依赖电流。激光波长为650 nm。(e) 来自面板(d)的放大区域。(f) 周期性接通和断开光源的基于PtS的光电探测器的时变电流。采用2 nm、4 nm和10 nm不同厚度的PtS制备光电探测器。电流强度是净光电流，也就是开灯时电流的变化。

 

总结与展望

我们的简单金属硫化策略成功合成了4英寸晶圆尺度的均匀PTS薄膜。此外，原子分辨STEM成像和衍射模拟证实了纯相PtS的形成。此外，热力学计算的Pt-S化合物相图表明，在我们的实验条件下，除PtS₂外，其他的PtS形成占主导地位。最终，基于PtS的光电探测器表现出优越的光响应和大的光电流产生。我们的方法可能有助于将PtS大面积集成到基于二维材料的范德华异质结构中，极大地提高了它们在电子和光电方面的应用。

 

图片摘要TOC

 

通讯作者信息

 

          逄金波, 济南大学前沿交叉科学研究院，副研究员，硕士生导师（化学专业，2022年招生1名）。主要研究领域：二维材料的晶圆级可控合成和范德华异质结构筑及其在电子、光电子器件上的应用；碳纳米材料的电子、光电子学应用。主要研究成果：近年来在碳纳米管、石墨烯、过渡金属硫属化合物（二硒化钨）和贵金属硫属化合物（硫化铂、二硒化钯）等低维纳米材料的设计理论、关键合成、基础应用、信息器件等方面做出了较大贡献。以项目负责人承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金和国家重点实验室开放基金等多项课题。在包括 Adv. Energy Mater.、InfoMat、Nano-Micro Lett.、ACS Energy Lett.、Nano Energy、ACS Nano、Nano Res.、Chem. Soc. Rev.、Appl. Energy、Adv. Opt. Mater.、Solar RRL、ACS Sens.等学术期刊上发表 SCI 文章 60 余篇，被引3041余次，H 因子为 26，获授权发明专利1项。

Email: ifc_pangjb@ujn.edu.cn

网页：https://publons.com/researcher/1226317/jinbo-pang/

https://orcid.org/0000-0001-6965-4166

http://faculty.ujn.edu.cn/pangjinbo/zh_CN/yjgk/79315/list/index.htm

          刘宏，济南大学前沿交叉科学研究院院长，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：生物传感材料与器件、纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、光电功能材料等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters, ACS Nano, J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater, Energy Environ. Sci.等学术期刊上发表SCI文章300余篇，其中，个人文章总被引次数超过23000次，H因子为72，其中30余篇文章被Web of Science的ESI（Essential Science Indicators）选为 “过去十年高被引用论文”（Highly Cited Papers (last 10 years))，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文，2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018至2021连续四年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。应邀在化学顶尖期刊Chemical Society Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和 Advanced Energy Materials上发表综述性学术论文，在国际上产生重要影响。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。2019年获得山东省自然科学一等奖。

Email: hongliu@sdu.edu.cn

网页：https://publons.com/researcher/1598713/hong-liu/

https://iair.ujn.edu.cn/

 

 

论文信息

A wafer-scale two-dimensional platinum monosulfide ultrathin film via metal sulfurization for high performance photoelectronics

Jinbo Pang, Yanhao Wang, Xiaoxin Yang, Lei Zhang, Yufen Li, Yu Zhang, Jiali Yang, Feng Yang, Xiao Wang, Gianaurelio Cuniberti, Hong Liu, and Mark H. Rümmeli

Mater. Adv., 2022, 3, 1497–1505

http://doi.org/10.1039/d1ma00757b

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MA/D1MA00757B

该文章获选Mater. Adv. 2022年第三期内封面：

https://doi.org/10.1039/D2MA90019J

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ma/d2ma90019j

该报道发布到微信公众号“RSC英国皇家化学会”

链接为：

https://mp.weixin.qq.com/s/s2ieGIvw5uH7vmaxHNPdAQ

 题目为：

济南大学逄金波-刘宏/南方科大杨烽/中科院深圳先进院王晓 | 晶圆级二维材料硫化铂及光电子学应用

相关期刊

 

 

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Mater. Adv.

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上年发文篇数	338篇
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Materials Advances 报道材料科学各领域的实验或理论研究成果，所发表的论文涵盖对材料的新认识以及材料的新应用、新特性和新合成方法。同时，该刊与英国皇家化学会现有的材料科学类期刊（Materials Horizons 及 Journal of Materials Chemistry A、B、C）相互依托并形成互补。作为一本金色开放获取的期刊，读者可以免费获取所发表论文的全文，同时从该刊发布起到 2022 年年中免收论文版面费。

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* 2020 Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2021)

^† CiteScore 2020 by Elsevier

^‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件