[논문 리뷰] In-situ fabrication of Mo6S6 nanowire terminated edges in monolayer molybdenum disulfide

Wei Huang, Xiaowei Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 17.

2D Materials and Applications참고 문헌 32인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 투과 전자현미경(STEM)에서 전자선 조사 및 고온 소성 처리를 통해 이방성 모세관형 나노와이어로 끝나는 모세관형 나노와이어가 단층 MoS2에서 현장에서 형성됨을 보여준다. 이 새로운 모서리 구조는 원래의 진주형 및 아치형 모서리보다 향상된 안정성을 보이며, Mo 및 S로 끝나는 진주형 모서리 모두에서 형성될 수 있으며, MoS2 나노리본 및 MoxW1-xSe2와 같은 다른 TMD에서도 유사한 형태가 관찰되어 촉매 및 전자적 응용 분야에 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

Edge structures are highly relevant to the electronic, magnetic and catalytic properties of two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) and their one dimensional (1D) counterpart, i.e., nanoribbons, which should be precisely tailored for the desirable applications. In this work, we report the formation of novel Mo6S6 nanowire (NW) terminated edges in a monolayer molybdenum disulfide (MoS2) via an e-beam irradiation process combined with high temperature heating in a scanning transmission electron microscope (STEM). Atomic structures of NW terminated edges and the dynamic formation process were observed experimentally. Further analysis shows that NW terminated edge could form on both Mo-zigzag (ZZ) edge and S-ZZ edge which can exhibit even higher stability superior to the pristine zigzag (ZZ) and armchair (AC) edge. In addition, the analogous edge structures can be also formed in MoS2 nanoribbon and other TMDs material such as MoxW1-xSe2. We believe that the presence of these novel edge structures in 2D and 1D TMD materials may provide novel properties and new opportunities for their versatile applications including catalytic, spintronic and electronic devices.

연구 동기 및 목표

• 더 높은 안정성과 功能성을 지닌 단층 MoS2의 새로운 모서리 구조를 설계하기 위해.
• 제어된 전자선 및 열 조건 하에서 Mo6S6 나노와이어로 끝나는 모서리의 형성 메커니즘을 조사하기 위해.
• 기존의 진주형 및 아치형 모서리와 비교하여 이러한 새로운 모서리 구성의 구조적 및 에너지 안정성을 탐구하기 위해.
• 이러한 발견을 MoS2 나노리본 및 MoS2 외의 전이 금속 디 chalcogenide(TMD)인 MoxW1-xSe2 등으로 확장하기 위해.
• 이러한 모서리 구조가 촉매, 스핀트로닉스 및 나노전자소자 응용 분야에서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 제어된 전자선 조사 조건 하에서 스캐닝 투과 전자현미경(STEM)을 사용한 현장 전자현미경(TEM) 실험 수행.
• MoS2 모서리에서 구조 재편성을 유도하기 위해 고온 소성(최대 1000 °C) 적용.
• 고해상도 STEM 영상로 실시간 원자 척도의 모서리 재구성 및 나노와이어 형성의 역학적 동역학 모니터링.
• Mo6S6-끝난 모서리의 열역학적 안정성과 전자 구조 분석을 위해 밀도함수이론(DFT) 계산 수행.
• 형성 경로 및 안정성 평가를 위해 모서리 종류(모세관형 Mo-종료 vs S-종료)를 체계적으로 변화.
• 합성 프로토콜을 MoS2 나노리본 및 기타 TMD(MoxW1-xSe2 등)로 확장하여 방법의 일반성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어된 전자선 및 열처리 조건 하에서 단층 MoS2에서 Mo6S6 나노와이어로 끝나는 모서리가 형성될 수 있는가?
• RQ2 MoS2 모서리에서 Mo6S6 나노와이어 형성의 원자 척도 메커니즘과 동적 진화 과정은 무엇인가?
• RQ3 Mo6S6-끝난 모서리의 안정성은 MoS2에서 원래의 진주형 및 아치형 모서리와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 이러한 모서리 공학 전략은 MoS2 나노리브 및 MoS2 외의 TMD 물질인 MoxW1-xSe2 등으로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 이러한 새로운 모서리 구조의 전자적 및 자성 성질은 어떤 신규 장치 응용을 가능하게 하는가?

주요 결과

• Mo6S6 나노와이어로 끝나는 모서리는 STEM 환경에서의 현장 전자선 조사 및 고온 소성 처리를 통해 단층 MoS2에서 성공적으로 형성되었다.
• 형성 과정은 실시간으로 직접 관찰되었으며, 조사 및 가열 중 모서리에서의 동적 원자 재배열이 드러났다.
• Mo-종료 및 S-종료 진주형 모서리 모두가 Mo6S6 나노와이어 형성의 핵심이 되었으며, 특히 S-종료 모서리가 높은 안정성을 보였다.
• DFT 계산을 통해 Mo6S6-끝난 모서리가 원래의 진주형 및 아치형 모서리보다 열역학적 안정성이 뛰어나다는 것이 확인되었다.
• 유사한 모서리 구조는 MoS2 나노리브 및 MoxW1-xSe2와 같은 다른 TMD에서도 관찰되어 광범위한 재료 적합성을 시사한다.
• 이러한 새로운 모서리 구조의 존재는 촉매, 전자 및 스핀트로닉스 성질을 맞춤 설계한 2D 및 1D TMD 기반 장치 설계에 새로운 기회를 제공한다.