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From Molecular Precursors to MoS2 Monolayers: Nanoscale Mechanism of Organometallic Chemical Vapor Deposition

化学气相沉积 单层 纳米尺度 材料科学 第2组金属有机化学 机制(生物学) 纳米技术 化学工程 沉积(地质) 化学 无机化学 分子 有机化学 生物 认识论 工程类 哲学 古生物学 沉积物
作者
Sagar Ghorai,Ananth Govind Rajan
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:36 (6): 2698-2710 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02675
摘要

The development of a fully ab initio theory for the chemical vapor deposition (CVD) synthesis of two-dimensional (2D) materials is a prominent challenge in computational chemistry and materials science. Here, quantum-mechanical density functional theory calculations are used to discover the mechanisms underlying the nucleation and growth of monolayer 2H molybdenum disulfide (MoS2) during organometallic CVD. Starting with molybdenum hexacarbonyl (Mo(CO)6) and hydrogen sulfide (H2S) as molecular precursors, we elucidate processes such as the decomposition of Mo(CO)6 to Mo(CO)3, sulfidation of Mo(CO)3, formation of metallic trigonal-phase (1T) Mo–S clusters, transition to semiconducting hexagonal-phase 2H MoS2, and the competition between the growth of Mo- and S-zigzag edges that lead to triangular and hexagonal flakes. We demonstrate thermodynamic and kinetic control over the formation of Mo- and S-zigzag edges. Additionally, we find the removal of hydrogen (H2) to be the rate-determining step in the growth process. We further compute the free energy of formation of the investigated Mo–S clusters on amorphous SiO2, demonstrating the important role played by the SiO2 substrate in the initial stages of nucleation and growth. We also show the feasibility of forming Mo–S clusters with more than two Mo atoms on the SiO2 surface. Our work lays the foundation for developing fully ab initio models of 2D material synthesis.
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