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《Nature》刊發！北航材料學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：本網整理來源：北京航空航天大學分享至：

日前，《Nature》雜志在線以全文Article的形式發表了北京航空航天大學材料科學與工程學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》發現并提出一種合成單層二維材料的新方法──拓撲轉化法，通過轉化非范德華固體（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、催化和能源存儲領域中具有廣闊的應用前景（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，材料科學與工程學院

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構，在電子器件、催化、能量存儲等諸多領域具有廣泛的應用前景。傳統制備二維過渡金屬硫族化物通常是由以機械剝離、液相剝離和電化學剝離法為典型代表的“自上而下”的合成方法和以化學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率/單層率超低（<1%），且結構（尤其1T相）不穩定，嚴重限制了二維材料的應用。

楊樹斌教授等人提出合成二維材料的新方法——拓撲轉化法，通過逐步轉化非范德華固體（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（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生成具有較高蒸汽壓的氣態產物（AZ）從反應體系中脫離（圖(b)），M相會相應地反應形成具有特定手風琴結構的二維過渡金屬硫族化物（MZ）。研究揭示了這個拓撲轉化由反應產物的焓和蒸汽壓控制。通過調控MAX相的組成（三元或四元的MAX相）和在反應體系中引入第三反應物（磷蒸氣），可以合成具有較高單層率（~30%）、超高溫穩定（>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)：轉化非范德華固體（MAX相）合成超高單層率和高溫穩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。

通過拓撲轉化非范德華固體，研究人員合成了14種具有可控相結構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種復合物MoSe2/TiSe2。這種拓撲轉化方法將成為除傳統Top-down和Bottom-up之外的第三種方法，有望規模化合成系列超高單層率和高溫穩定的范德華二維材料，并在能源存儲和轉化、電子器件等領域具有廣闊的應用前景。

同時，新加坡國立大學的Wei Sun Leong教授對北航楊樹斌教授的工作進行了評述，并發表在《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變為單層TMCs，極具普適性，且操作簡便，成本低廉，非常適合工業生產，將二維材料的應用極大地推向了市場商業化。從科學本身角度而言，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定單層過渡金屬硫族化物，用于解決二維材料在環境中的不穩定性，這為材料研究人員提供了新的思路：應當開始探索使用化學元素來穩定二維材料，而不用再使用包覆等復雜策略。

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

拓撲轉化法可以直接將非范德華固體材料轉變為單層TMCs

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合美國萊斯大學的Pulickel M. Ajayan教授課題組、清華大學深圳研究生院鄒小龍教授課題組和中國科學技術大學的宋禮教授課題組。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基金優青項目和面上項目（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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