本文报道了一种通过氧等离子体介导的化学气相沉积（OPMCVD）方法，实现了单层二硫化钼（MoS₂）的拓扑生长，形成具有伪六重旋转对称性（pseudo-C₆）的星形结构。这种结构不仅保留了MoS₂的高对称性，还实现了高平面内各向异性，从而在电子器件中展现出优异的各向异性传输性能和超低能耗的快速开关特性。该研究为二维材料的对称性-各向异性协同工程提供了新的思路，为高性能方向性电子器件的设计开辟了新途径。
二维（2D）材料因其独特的方向依赖性光学、热学和电子学性质而备受关注。然而，材料的结构对称性与电子各向异性之间存在天然的权衡：高对称性材料通常表现出弱各向异性，而强各向异性材料则因低对称性导致开关速度慢。例如，过渡金属二硫化物（TMDs）如MoS₂通常具有C₃对称性，但其平面内各向异性尚未被充分开发。以往的研究通过界面工程等方法降低MoS₂的对称性以增强各向异性，但这些方法往往引入界面缺陷或复杂的异质结构，限制了器件性能。因此，如何在保持高对称性的同时实现强各向异性成为二维材料研究中的一个重要挑战。
实验中，采用氧等离子体预处理的单温区化学气相沉积（CVD）设备，通过控制氧等离子体处理时间和功率，实现了MoS₂从三角形到星形的形态转变。将MoO₃和NaCl按10:1的质量比混合，置于氧化铝舟中；将S粉置于上游的独立舟中。将清洁后的Si/SiO₂基底（300 nm氧化层）在80 W功率下进行5-10分钟的氧等离子体处理，以改变生长表面的化学性质。在750°C下，以25°C/min的升温速率加热，保持生长温度10分钟，同时以30-60 sccm的流量通入氩气。该工作具有以下创新点：
拓扑生长方法：提出了一种氧等离子体介导的化学气相沉积（OPMCVD）方法，实现了MoS₂从三角形到星形的拓扑生长，突破了传统CVD方法的限制。
伪六重旋转对称性（pseudo-C₆）：通过拓扑工程，将MoS₂的C₃对称性转变为伪六重旋转对称性，同时保留了高各向异性，解决了对称性与各向异性之间的天然权衡问题。
高性能各向异性器件：基于星形MoS₂的角分辨各向异性晶体管展现出高电子迁移率（AC方向84.06 cm²/V·s，ZZ方向57.80 cm²/V·s）和可调的各向异性比（I_AC/I_ZZ = 1.02-10.91）。
超低能耗方波发生器：利用星形MoS₂的快速开关特性，构建了一种超低能耗（39 aJ/事件）的方波发生器，展现出多模式操作能力和优异的循环稳定性。
本文通过氧等离子体介导的拓扑生长方法，成功实现了MoS₂从三角形到星形的形态转变，并赋予其伪六重旋转对称性。这种结构不仅保留了MoS₂的高对称性，还实现了高平面内各向异性，从而在电子器件中展现出优异的各向异性传输性能和超低能耗的快速开关特性。该研究为二维材料的对称性-各向异性协同工程提供了新的思路，为高性能方向性电子器件的设计开辟了新途径。
图文内容：
Figure 1. 基于氧等离子体基底调控的拓扑定制化MoS2畴可控合成与质量表征。a) 氧浓度梯度调控的氧等离子体辅助基底工程CVD策略示意图。b) 星形MoS2畴的显微图像。c) 原子力显微镜图像显示约0.7 nm的单层厚度。d) 三种MoS2畴的拉曼光谱对比。e) 星形MoS2畴的拉曼面扫结果。f) 平行模式下的角度分辨偏振拉曼光谱(ARPRS)测试结果。g) 平行模式下407 cm−1峰强度与偏振角度的关系。h) 交叉模式下的ARPRS结果。i) 交叉模式下407 cm−1峰强度与偏振角度的关系。j) 不同激发波长下星形MoS2畴的二次谐波(SHG)响应。k,l) 高分辨率XPS谱图分别显示S 2p和Mo 3d轨道结合能。
Figure 2. 拓扑生长机制的理论模拟。a-c) 氧原子可能吸附位点及相应能垒示意图，其中氧原子最易吸附在MoS2纳米带与硅基底的界面处。d) 沉积过程中发生的三个关键过程示意图：I.硫原子在裸露硅表面的扩散；II.无氧参与时的硫原子附着；III.氧辅助下的硫原子附着。e) 各过程能垒的模拟计算结果。f,g) 伪C6对称性的定义示意图，其中AC或ZZ晶向可通过60°旋转完全复原，但原子排布的完全复原需要120°旋转而非60°。
Figure 3. 星形MoS2畴的原子结构表征。a) 星形MoS2畴的透射电镜图像。b) 从(a)图所示畴的六个顶点获取的六组选区电子衍射花样。c) 星形MoS2畴的像差校正扫描透射电镜图像。d) 沿(c)图中绿色线（上部）和蓝色线（下部）的强度分布曲线。e) 从(a)图标记的不同边缘获取的星形MoS2畴AC-STEM图像。f) 星形畴的原子结构模拟图。g) 样品的高分辨透射电镜条纹像。
Figure 4. 角度分辨各向异性晶体管的器件性能表征。a) 角度分辨各向异性晶体管的结构示意图。b) 配置十二电极的晶体管显微图像。c,d) 器件分别沿ZZ和AC方向的转移特性曲线。e,f) 器件分别沿ZZ和AC方向的输出特性曲线。g) 不同晶向上的载流子迁移率统计结果。h) 不同晶向上开关电流比（ION/IOFF）的统计分布。i) 在VDS从0V递增至10V、VG从10V阶梯升至60V条件下各向异性比率的统计结果。
Figure 5. 星形MoS2的各向异性电子特性。a) 同时显示原胞（蓝色虚线，晶格矢量ap1和ap2）和正交超胞（红色虚线，晶格矢量ao1和ao2）的原子结构。b) 与(a)中晶胞对应的第一布里渊区，蓝色虚线表示K点从原胞倒易晶格到正交超胞倒易晶格的折叠过程。c) 沿高对称路径Γ(0,0)→X(0.5,0)→S(0.5,0.5)→Y(0,0.5)→Γ(0,0)计算的正交超胞能带结构。d) 沿Γ(0,0)→X(0.5,0)路径的能带结构。e) 沿Y(1/3,0.5)→K(1/3,0)→Y(1/3,0.5)路径的能带结构。f) 角度分辨各向异性晶体管的伪C6对称性示意图。g) 与其他电子各向异性器件的比较，包括其各向异性比率（黑色文字突出显示）和对称阶数（C2、C3、C4和伪C6）。
Figure 6. 基于角度分辨各向异性晶体管的方波发生器。a) 由两个定子和一个转子（角度分辨各向异性晶体管）组成的发生器示意图。b-d) AC到ZZ切换机制的示意图。e) 发生器的工作路径。f) 四种工作模式，分别由VG、VDS和𝜔控制。四种模式的参数如下：模式I：VG = 60 V，VDS = 12 V，𝜔 = 0.1 rad/s；模式II：VG = 30 V，VDS = 12 V，𝜔 = 0.1 rad/s；模式III：VG = 60 V，VDS = 60 V，𝜔 = 0.1 rad/s；模式IV：VG = 60 V，VDS = 12 V，𝜔 = 0.26 rad/s。g) 发生器在ON状态（包括AC方向和ZZ方向）和OFF状态的时间保持特性。h) (g)的扩展时间范围（800-1000秒），显示即使经过1000秒仍保持稳定的ON/OFF比（≈106），证实了强大的保持特性。i) (g)中ON状态（800-1000秒，包括AC方向和ZZ方向）的放大图，显示即使经过1000秒仍保持高各向异性比。j) ZZ到AC过程中的超快切换速度。k) AC到ZZ过程中的超快切换速度。l) 不同VG和VDS偏置下的IAC/IZZ比。m) 发生器的功耗，由一组AC和ZZ信号产生的总能耗总结，记为单个事件。
文章信息：https://doi.org/10.1002/adma.202513984
