学术研究报告：过渡金属二硫属化物中密度可控孪晶界的非外延生长研究

第一作者及机构
本研究的通讯作者包括Juntong Zhu（中国科学院大学物理科学学院）、Zhili Hu（南京航空航天大学）、Zheng Liu（新加坡南洋理工大学）及Wu Zhou（中国科学院大学）。合作团队来自中国、新加坡多所高校及研究机构。研究成果于2023年8月22日发表在期刊*The Innovation*（Volume 4, Issue 6, 100502），标题为《Non-epitaxial growth of highly oriented transition metal dichalcogenides with density-controlled twin boundaries》。

学术背景
过渡金属二硫属化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）因其独特的物理化学性质在量子物理和电催化领域备受关注。其中，孪晶界（Twin Boundaries, TBs）作为一维电子系统，具有量子阱态、电荷密度波等特性，但其密度和原子构型的可控调控一直是技术难点。传统化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）方法生成的TBs密度低，且依赖外延生长基底。本研究旨在开发一种非外延生长策略，实现在任意基底上大规模制备高密度、原子构型均一的TBs，并揭示其生长机制与应用潜力。

研究流程与实验方法
1. 材料合成与表征
- 生长方法：采用改进的CVD法，通过调控温度曲线（660°C–740°C）诱导金属源（Mo3O9）在基底表面扩散并重沉积，形成高密度核位点。
- 基底选择：在非晶SiO2、蓝宝石、云母等多种基底上验证普适性。
- 表征技术：
- 原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱确认单层MoSe2的形成（A1g峰位于238 cm⁻¹，光致发光峰1.54 eV）。
- 二次谐波成像（SHG）显示高密度TBs（5.1 μm/μm²），密度为传统CVD样品的6倍。
- 透射电子显微镜（STEM）揭示TBs的原子构型为4|8元环交替排列（八元环占比40%），优于文献报道的4元环主导结构。

1. 生长机制解析

   • 扩散差异驱动自取向生长：DFT计算表明，Mo3O9在MoSe2表面的扩散能垒比SiO2基底低10个数量级，导致中心“大陆”晶粒快速扩张，周围“岛屿”晶粒缓慢生长并通过毛细力对齐，形成60°旋转的孪晶界。
     
   • 温度调控：低温（<740°C）下金属源扩散主导，形成高密度TBs；高温（>740°C）下气相沉积主导，TBs密度降低。
     

2. 电催化性能测试

   • 微电极芯片技术：在石墨烯电极上构建反应窗口，排除边缘效应干扰。
     
   • 析氢反应（HER）：740°C生长的MoSe2（TBs密度最高）在过电位-300 mV时电流密度提升100倍，塔菲尔斜率70 mV/dec，优于传统CVD样品。
     

主要结果与逻辑链条
1. 高密度TBs的可控制备：通过调控生长温度（740°C），实现TBs密度达5.1 μm/μm²，且八元环比例显著提高（图2g）。
2. 生长机制验证：多晶Wulff构造模拟与实验形貌高度吻合（图3d2–g2），支持“自取向生长”理论。
3. 催化性能突破：TBs中八元环作为活性位点，大幅提升HER性能（图4g–h），与理论预测一致。

结论与价值
1. 科学价值：提出非外延生长新机制，为二维材料缺陷工程提供普适性策略。
2. 应用潜力：高密度TBs可作为一维电子系统平台，探索量子态及高效电催化剂设计。
3. 方法创新：通过简单温度曲线修改，将自取向生长整合至传统CVD工艺（图5），推动工业化应用。

研究亮点
1. 原子构型创新：首次实现八元环为主的TBs结构，突破传统四元环限制。
2. 生长机制突破：揭示扩散差异驱动的自取向生长模型，解决TBs密度调控难题。
3. 多学科交叉：结合DFT计算、原位表征与催化测试，系统性验证理论假设。

其他价值
研究还扩展至WSe2等其他TMDs（图S18），证实方法的普适性；提出的“沉淀阶段”温度曲线（图5b）为CVD工艺优化提供新思路。