Epitaxial Growth of Centimeter-Scale Single-Crystal MoS2 Monolayer on Au(111)

材料科学 单层 外延 纳米技术 扫描隧道显微镜 单晶 邻接 光电子学 纳米电子学 薄脆饼 成核 微晶 结晶学 图层(电子) 化学 冶金 有机化学
作者
Pengfei Yang,Shuqing Zhang,Shuangyuan Pan,Bin Tang,Yu Liang,Xiaoxu Zhao,Zhepeng Zhang,Jianping Shi,Yahuan Huan,Yuping Shi,Stephen J. Pennycook,Zefeng Ren,Guanhua Zhang,Qing Chen,Xiaolong Zou,Zhongfan Liu,Yanfeng Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (4): 5036-5045 被引量:273
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c01478
摘要

Two-dimensional (2D) semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) have emerged as attractive platforms in next-generation nanoelectronics and optoelectronics for reducing device sizes down to a 10 nm scale. To achieve this, the controlled synthesis of wafer-scale single-crystal TMDs with high crystallinity has been a continuous pursuit. However, previous efforts to epitaxially grow TMD films on insulating substrates (e.g., mica and sapphire) failed to eliminate the evolution of antiparallel domains and twin boundaries, leading to the formation of polycrystalline films. Herein, we report the epitaxial growth of wafer-scale single-crystal MoS2 monolayers on vicinal Au(111) thin films, as obtained by melting and resolidifying commercial Au foils. The unidirectional alignment and seamless stitching of the MoS2 domains were comprehensively demonstrated using atomic- to centimeter-scale characterization techniques. By utilizing onsite scanning tunneling microscope characterizations combined with first-principles calculations, it was revealed that the nucleation of MoS2 monolayer is dominantly guided by the steps on Au(111), which leads to highly oriented growth of MoS2 along the ⟨110⟩ step edges. This work, thereby, makes a significant step toward the practical applications of MoS2 monolayers and the large-scale integration of 2D electronics.
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