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《Nature》刊發(fā)！北航材料學(xué)院攻克國際性難題單層二維材料研究取得進展

2020-03-09 13:34:52 作者：本網(wǎng)整理來源：北京航空航天大學(xué) 分享至：

日前，《Nature》雜志在線以全文Article的形式發(fā)表了北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊樹斌教授課題組在單層二維材料研究方面取得的最新進展。

《Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides》發(fā)現(xiàn)并提出一種合成單層二維材料的新方法──拓撲轉(zhuǎn)化法，通過轉(zhuǎn)化非范德華固體（過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（MAX相）等）直接大量制備出具有超穩(wěn)定和超高單層率的單原子層二維過渡金屬硫族化物，攻克了單層二維材料難以制備和不穩(wěn)定的國際性難題，所制備單原子層二維材料在電子器件、光電器件、催化和能源存儲領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景（Nature 577, 492-496 (2020)）。

第一作者：杜志國（北航2015級博士研究生）
通訊作者：楊樹斌 Pulickel M. Ajayan
第一單位：北京航空航天大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院

單層二維材料如二維過渡金屬硫族化物，由過渡金屬原子與硫族原子組成，由于其獨特的二維結(jié)構(gòu)，在電子器件、催化、能量存儲等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)制備二維過渡金屬硫族化物通常是由以機械剝離、液相剝離和電化學(xué)剝離法為典型代表的“自上而下”的合成方法和以化學(xué)氣相沉積法為典型代表的“自下而上”的制備方法。但這些方法合成二維過渡金屬硫族化物的產(chǎn)率/單層率超低（<1%），且結(jié)構(gòu)（尤其1T相）不穩(wěn)定，嚴重限制了二維材料的應(yīng)用。

楊樹斌教授等人提出合成二維材料的新方法——拓撲轉(zhuǎn)化法，通過逐步轉(zhuǎn)化非范德華固體（過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（MAX相）等）直接大量制備出具有超穩(wěn)定和超高單層率的單原子層二維過渡金屬硫族化物，攻克了單層二維材料難以制備和不穩(wěn)定的國際性難題。以MAX相合成二維過渡金屬硫族化物為例，研究人員通過將MAX相與含硫族元素的氣體或蒸氣（硫、硫化氫、硒等）HyZ (y=0, 2)反應(yīng) （圖 (a)），由于MAX相中M-X鍵為強的離子鍵或共價鍵，而M-A鍵為較弱的金屬鍵，因此，在高的反應(yīng)溫度下（873-1373K），非范德華固體材料中的A相會與含硫族元素的氣體進行反應(yīng)生成具有較高蒸汽壓的氣態(tài)產(chǎn)物（AZ）從反應(yīng)體系中脫離（圖(b)），M相會相應(yīng)地反應(yīng)形成具有特定手風(fēng)琴結(jié)構(gòu)的二維過渡金屬硫族化物（MZ）。研究揭示了這個拓撲轉(zhuǎn)化由反應(yīng)產(chǎn)物的焓和蒸汽壓控制。通過調(diào)控MAX相的組成（三元或四元的MAX相）和在反應(yīng)體系中引入第三反應(yīng)物（磷蒸氣），可以合成具有較高單層率（~30%）、超高溫穩(wěn)定（>1000oC）的二維過渡金屬硫族化物（2H/1T相）。當采用層狀的過渡金屬碳化物（Mo2C）作為反應(yīng)物，可以合成具有超高單層率（~90%）的MoS2，攻克了單層二維材料的制備難題。

圖(a)：轉(zhuǎn)化非范德華固體（MAX相）合成超高單層率和高溫穩(wěn)定的二維過渡金屬硫族化物的機理圖。圖(b)：MAX相中A相與含硫族元素的氣體或蒸氣形成的中間物的飽和蒸汽壓-溫度曲線。

通過拓撲轉(zhuǎn)化非范德華固體，研究人員合成了14種具有可控相結(jié)構(gòu)和超高單層率的過渡金屬硫族化物，其中包括7種過渡金屬硫族化物Ti5S8，TiSe2，NbS2，NbSe2，MoS2，MoSe2，TaS2，5種摻雜過渡金屬硫族化物Y摻雜WS2，Nb摻雜TiSe2，Y, P共摻雜WS2，P摻雜MoS2，P摻雜TiSe2，1種復(fù)合物MoSe2/TiSe2。這種拓撲轉(zhuǎn)化方法將成為除傳統(tǒng)Top-down和Bottom-up之外的第三種方法，有望規(guī)模化合成系列超高單層率和高溫穩(wěn)定的范德華二維材料，并在能源存儲和轉(zhuǎn)化、電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

同時，新加坡國立大學(xué)的Wei Sun Leong教授對北航楊樹斌教授的工作進行了評述，并發(fā)表在《Nature》上。評述中指出：這種方法可以直接將非范德華固體材料轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌覶MCs，極具普適性，且操作簡便，成本低廉，非常適合工業(yè)生產(chǎn)，將二維材料的應(yīng)用極大地推向了市場商業(yè)化。從科學(xué)本身角度而言，楊樹斌教授團隊的最新研究工作表表明，少量（<1％）雜原子的摻雜可以穩(wěn)定單層過渡金屬硫族化物，用于解決二維材料在環(huán)境中的不穩(wěn)定性，這為材料研究人員提供了新的思路：應(yīng)當開始探索使用化學(xué)元素來穩(wěn)定二維材料，而不用再使用包覆等復(fù)雜策略。

新加坡國立大學(xué)的Wei Sun Leong教授對北航楊樹斌教授的工作進行評述，并發(fā)表在《Nature》上

拓撲轉(zhuǎn)化法可以直接將非范德華固體材料轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌覶MCs

該工作由來自于4個單位的11位合作者共同完成：北航楊樹斌課題組聯(lián)合美國萊斯大學(xué)的Pulickel M. Ajayan教授課題組、清華大學(xué)深圳研究生院鄒小龍教授課題組和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的宋禮教授課題組。該工作采用了多種先進測試和表征手段單層二維材料。該工作主要得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項目和面上項目（51622203，51572007）和教育部111引智計劃（B17002）等的資助。

論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1904-x

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