為生長(zhǎng)制備優(yōu)異性能材料，采用真空化學(xué)氣相輸運(yùn)合成生長(zhǎng)制備（又稱CVT法/化學(xué)反應(yīng)助升華法/固相合成生長(zhǎng)法）是目前廣泛采用的方式，該方法既可用于傳統(tǒng)CVT生長(zhǎng)單晶材料，又可采用一步法合成生長(zhǎng)二維材料，具有快速高效、易于操作、安全可靠、生長(zhǎng)質(zhì)量高等突出特點(diǎn)。是維SHIWEI（www.shiwhy.com）專注材料生長(zhǎng)、器件制備及工藝處理解決方案。

二維過渡金屬二硫族化合物（MX2）及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣相合成往往不具備高重復(fù)性。究其原因，環(huán)境中不受控制的水蒸氣可能是重要的因素之一。此前人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到水蒸氣可以在高溫下與固體MX2反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性相對(duì)高的金屬羥基氧化物（MOx(OH)y）和硫族氫化物（H2X）。而在氣相合成中，這一反應(yīng)過程將會(huì)顯著改變MX2的生長(zhǎng)反應(yīng)機(jī)理，從而在生長(zhǎng)過程中發(fā)揮重要作用。近日，美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的金松教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了利用水蒸氣輔助的化學(xué)氣相傳輸法（CVT）對(duì)WS2，MoS2及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控合成。反應(yīng)中的水蒸氣可通過控制二水合硫酸鈣（CaSO4·2H2O）固體的熱分解來調(diào)控，與使用液態(tài)水提供水蒸氣相比，這一方法不僅提供了更低的蒸氣壓基線和更寬的可調(diào)范圍，而且還可以直接整合到管式的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中。通過這一方法可以實(shí)現(xiàn)WS2單一材料的單層、多層和螺旋納米片的可控生長(zhǎng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)MX2邊緣的橫向外延生長(zhǎng)，以及WS2-MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)。以上結(jié)果揭示并利用了一種新的MX2生長(zhǎng)機(jī)制，并為其他金屬硫族化物的可控生長(zhǎng)提供了一種通用的方法。

為在小范圍內(nèi)控制反應(yīng)器中的水蒸氣量，反應(yīng)器本身首先需要近乎無水。而相比于液態(tài)水，固體水合鹽具有極低的平衡蒸氣壓，這使得其適于提供低水平的水蒸氣。無水硫酸鈣（CaSO4）在室溫下具有很強(qiáng)的吸水能力并反應(yīng)生成二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），因此常常作為干燥劑使用。反之，在室溫下很難使二水硫酸鈣脫水釋放水蒸氣。然而只要加熱二水硫酸鈣就可以使其在不同溫度下以不同的速率產(chǎn)生水蒸氣。因此，研究人員首先對(duì)二水合硫酸鈣熱分解產(chǎn)生水蒸氣的速率進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)量（圖1）。由圖1a可見二水合硫酸鈣在不同加熱溫度下有著不同但相對(duì)平穩(wěn)的分解速率。盡管在CVD系統(tǒng)中難以直接監(jiān)測(cè)分解速率，但可以通過測(cè)量反應(yīng)前后CaSO4·2H2O的質(zhì)量變化以及在加熱下的時(shí)間來估算實(shí)驗(yàn)中的水蒸氣的釋放速率。實(shí)驗(yàn)中水蒸氣的釋放速率還在不同溫度下顯示與出載氣流速的線性關(guān)系（圖1b）。以CaSO4·2H2O為水源，可實(shí)現(xiàn)范圍較大的水蒸氣釋放速率。如圖1c所示，在100 sccm的氬氣流下，可以在80至120°C的溫度范圍內(nèi)將水蒸氣釋放速率在10–4到10–1 mg/s的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這等效于流量為10–3至100 sccm的純水蒸氣。相比之下，在100sccm氬氣流下，0.1 mL液態(tài)水的水蒸氣釋放速率約為7×10–3 mg/s。盡管也可以使用鼓泡裝置來提供水蒸氣，但鼓泡裝置需要更復(fù)雜的設(shè)置，且釋放速率調(diào)節(jié)的范圍更有限，尤其是在臨界的較低范圍內(nèi)。相反，加熱CaSO4·2H2O固體可以在更寬的范圍內(nèi)更可控地輸送水蒸氣，而無需使用復(fù)雜的設(shè)置。