Remote epitaxy of single-crystal rhombohedral WS2 bilayers

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作者
Chao Chang,Xiaowen Zhang,Weixuan Li,Quanlin Guo,Feng Zuo,Chen Huang,Yunlong Ren,Yingying Cai,Xu Zhou,Jinhuan Wang,Zhilie Tang,Feng Ding,Wenya Wei,Kaihui Liu,Xiaozhi Xu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 4130-4130 被引量:25
标识
DOI:10.1038/s41467-024-48522-8
摘要

Abstract Compared to transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers, rhombohedral-stacked (R-stacked) TMD bilayers exhibit remarkable electrical performance, enhanced nonlinear optical response, giant piezo-photovoltaic effect and intrinsic interfacial ferroelectricity. However, from a thermodynamics perspective, the formation energies of R-stacked and hexagonal-stacked (H-stacked) TMD bilayers are nearly identical, leading to mixed stacking of both H- and R-stacked bilayers in epitaxial films. Here, we report the remote epitaxy of centimetre-scale single-crystal R-stacked WS 2 bilayer films on sapphire substrates. The bilayer growth is realized by a high flux feeding of the tungsten source at high temperature on substrates. The R-stacked configuration is achieved by the symmetry breaking in a -plane sapphire, where the influence of atomic steps passes through the lower TMD layer and controls the R-stacking of the upper layer. The as-grown R-stacked bilayers show up-to-30-fold enhancements in carrier mobility (34 cm 2 V −1 s −1 ), nearly doubled circular helicity (61%) and interfacial ferroelectricity, in contrast to monolayer films. Our work reveals a growth mechanism to obtain stacking-controlled bilayer TMD single crystals, and promotes large-scale applications of R-stacked TMD.
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