日前，北京理工大学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。

北京理工大学为该工作第一单位，物理学院博士生王平为该工作第一作者，北京理工大学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，北京理工大学基金项目的支持。

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