journal article·2025Open access

In situ investigation of 1T′/1H phase transition in colloidal WS 2 monolayers

Dario Mastrippolito, Ashkan Shahmanesh, Mariarosa Cavallo, Erwan Bossavit, Iman Laqchaa El Abed, Corentin Dabard, Shalini Singh, Mathieu G. Silly, Francesco Capitani, Nemanja Peric, Louis Biadala, Andrea Zitolo, José Avila, Francesco Carlà, Cesare Tresca, Emmanuel Lhuillier, Benoit Mahler, Debora Pierucci

Nanoscale· Volume 17· Issue 43

Abstract

Controlling the crystal phase of two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) is essential for tailoring their electronic and optical properties. Among the polymorphs of WS2, the metastable 1T' phase exhibits semimetallic or narrow-bandgap character and hosts quantum functionalities distinct from the semiconducting 1H phase. Here, we investigate the temperature-induced 1T'/1H phase transition in colloidally synthesized monolayer WS2 nanosheets functionalized with organic ligands. The reducing conditions of the synthesis stabilize the 1T' phase via electron doping. Through in situ analyses of both the structural and electronic properties, we monitor the phase evolution during annealing and find that the 1T' phase remains stable up to 300 °C, accompanied by a relative lattice contraction. Between 300 °C and 350 °C, a mixed 1T'/1H regime appears, where the 1H content can be finely tuned by controlling the annealing time. Above 350 °C, a rapid and complete transformation to the 1H phase occurs. We demonstrate that the decomposition of the reducing ligand serves as the primary trigger of the structural transition, revealing a strong interplay among doping, surface chemistry, and lattice structure. Notably, nanosheets with smaller lateral dimensions exhibit slower phase transition kinetics, suggesting that finite size could influence the structural rearrangement underlying the phase transformation.
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Research context

OpenAlex topics: 2D Materials and Applications · Molecular Junctions and Nanostructures · MXene and MAX Phase Materials

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Sorbonne Université, CNRS, Institut des NanoSciences de Paris, 4 place Jussieu, 75005 Paris, France

Synchrotron SOLEIL, L'Orme des Merisiers, Départementale 128, 91190 Saint-Aubin, France

Universite Claude Bernard Lyon 1, Institut Lumiere Matière (iLM), UMR 5306, CNRS, 69622 Villeurbanne, France

Department of Chemical Sciences and Bernal Institute, University of Limerick, Limerick, V94 T9PX, Ireland

Université de Lille, CNRS, Centrale Lille, Université Polytechnique Hauts-de-France, Junia-ISEN, UMR 8520 – IEMN, F-59000 Lille, France

Diamond Light Source Ltd, Harwell Science and Innovation Campus, Didcot, OX11 0DE, UK

CNR-SPIN c/o Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche, Università degli Studi dell'Aquila, L'Aquila, Italy

Funding

Diamond Light Source · Centre National de la Recherche Scientifique · Agence Nationale de la Recherche · NextGenerationEU · European Research Council

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