日前，mk体育在线（中国）物理学院周家东教授与段俊熙副研究员开展合作，在二维钒基自插层硫族化合物的体系中，通过化学气相沉积方法，基于二元金属前驱体共反应机制，可控合成二维自插层V₃S₅晶体材料，并研究其相关物性。相关研究成果发表在国际顶刊《Advanced Functional Materials》上。

二维过渡金属硫族化合物的原子结构调控研究，为实现超导、层间激子、磁性、电荷密度波等物理性质提供了一个有效手段。对于调控二维过渡金属硫族化合物的原子结构，以期实现新奇物性观测，原子插层是一个有效手段。在Cr_1+xTe₂，Nb_1+xS₂，Ta_xS(Se)_y和V_xS_y插层体系中，具有多种物理性质的V_xS_y家族化合物可应用于自旋电子学器件。例如， 化学气相输运法（CVT）制备的V₅S₈晶体在32 K处展现出反铁磁相变，分子束外延法（MBE）所得到的V₉S₁₆和V₅S_8+x晶体观测到电荷密度波（CDW）相变，化学气相沉积法（CVD）制备的VS₂-VS超晶格结构表现出室温面内霍尔效应。综上所述，不同占位的V原子插层到VS₂层间，可以获得丰富的物理性质。然而，通过化学气相沉积法制备出具有不同V原子层间占位的自插层V_xS_y结构仍旧是一个难题。

基于此，通过化学气相沉积方法，我们提出一种二元金属前驱体共反应的生长机制，在生长过程中调控钒源蒸汽压，成功合成二维自插层V₃S₅晶体。首先，金属性V₃S₅晶体在20 K左右展现出相变。其次，源于V₃S₅自身的电电相互作用，在低温下二维V₃S₅晶体观测到电阻上升和不饱和负磁阻。该工作不仅促进了大家对钒基硫族化合物生长机制的认识，又为合成其余自插层过渡金属硫族化合物提供了新的启发。

图1. V₃S₅晶体的合成和表征。（a，b）V₃S₅ 的原子结构。（c）二维V₃S₅晶体合成机制。（d）二维V₃S₅的光学形貌。（e）V₃S₅的AFM图。（f）V₃S₅厚度相关拉曼光谱。（g）二维V₃S₅ XPS光谱;（h，i）分别为 S 2p 和 V 2p 对应的 XPS 光谱。

图2. 二维V₃S₅可控生长。（a-c）V₃S₅光学形貌分别生长于520 ˚C（a），550 ˚C（b）和580 ˚C（c）。（d）不同生长温度下V₃S₅平均厚度分布。（e-g）V₃S₅在不同生长时间分别生长于1 min（e）、5 min（f）和10 min（g）光学形貌。（h）二维V3S5平均尺寸与生长时间的关系。（i-k）V₃S₅在不同氩气流速下生长的光学形貌分别生长于80 sccm（i）、100 sccm（j）和120 sccm（k）。（l）V₃S₅平均厚度与Ar流速的关系。

图3. 在1064 nm激光下V3S5的SHG信号。（a） SHG测试示意图。（b） 激光功率和SHG强度的关系;（c）二次非线性系数拟合图;（d）SHG强度分别沿V3S5平行和垂直方向的偏振角变化关系。

图4. 二维 V₃S₅的STEM表征。（a）V₃S₅晶体的TEM图像及S（b）和V（c）元素TEM-EDS mapping。（d）V₃S₅晶体STEM-HAADF图像。（e）V₃S₅晶体电子衍射花样。（f）V₃S₅晶体的截面STEM-HAADF图像。

图5. 二维V₃S₅晶体的电学性质。（a）电阻随温度变化曲线。（b）不同磁场下电阻随温度变化曲线。（c）在不同温度下磁阻变化。（d）不同温度下霍尔电阻Rxy 随磁场的变化。（e，f）载流子密度和迁移率随温度的变化。

mk体育在线（中国）为该工作第一单位，物理学院博士生王平为该工作第一作者，mk体育在线（中国）物理学院周家东教授与段俊熙副研究员为该工作共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金，mk体育在线（中国）基金项目的支持。

相关论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202308356