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Dual-coupling-guided epitaxial growth of wafer-scale single-crystal WS2 monolayer on vicinal a-plane sapphire

邻接 材料科学 蓝宝石 外延 单层 薄脆饼 光电子学 Crystal(编程语言) 单晶 纳米技术 结晶学 光学 化学 物理 有机化学 程序设计语言 激光器 图层(电子) 计算机科学
作者
Jinhuan Wang,Xiaozhi Xu,Ting Cheng,Lehua Gu,Ruixi Qiao,Zhihua Liang,Dongdong Ding,Hao Hong,Peiming Zheng,Zhibin Zhang,Shuai Zhang,Guoliang Cui,Chao Chang,Chen Huang,Jiajie Qi,Jing Liang,Can Liu,Yonggang Zuo,Guodong Xue,Xinjie Fang,Jinpeng Tian,Muhong Wu,Yi Guo,Zhixin Yao,Qingze Jiao,Lei Liu,Peng Gao,Qunyang Li,Rong Yang,Guangyu Zhang,Zhilie Tang,Dapeng Yu,Enge Wang,Jianming Lü,Yun Zhao,Shiwei Wu,Feng Ding,Kaihui Liu
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Springer Nature]
卷期号:17 (1): 33-38 被引量:169
标识
DOI:10.1038/s41565-021-01004-0
摘要

The growth of wafer-scale single-crystal two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) on insulating substrates is critically important for a variety of high-end applications1–4. Although the epitaxial growth of wafer-scale graphene and hexagonal boron nitride on metal surfaces has been reported5–8, these techniques are not applicable for growing TMDs on insulating substrates because of substantial differences in growth kinetics. Thus, despite great efforts9–20, the direct growth of wafer-scale single-crystal TMDs on insulating substrates is yet to be realized. Here we report the successful epitaxial growth of two-inch single-crystal WS2 monolayer films on vicinal a-plane sapphire surfaces. In-depth characterizations and theoretical calculations reveal that the epitaxy is driven by a dual-coupling-guided mechanism, where the sapphire plane–WS2 interaction leads to two preferred antiparallel orientations of the WS2 crystal, and sapphire step edge–WS2 interaction breaks the symmetry of the antiparallel orientations. These two interactions result in the unidirectional alignment of nearly all the WS2 islands. The unidirectional alignment and seamless stitching of WS2 islands are illustrated via multiscale characterization techniques; the high quality of WS2 monolayers is further evidenced by a photoluminescent circular helicity of ~55%, comparable to that of exfoliated WS2 flakes. Our findings offer the opportunity to boost the production of wafer-scale single crystals of a broad range of two-dimensional materials on insulators, paving the way to applications in integrated devices. A dual-coupling-guided growth mechanism enables the realization of wafer-scale single-crystal WS2 on vicinal a-plane sapphire.
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