CAMBRIDGE,MA–由于暴露在氧氣和水蒸氣中會迅速降解，因而使得許多具有光學、電子或光電應用前景的二維材料的使用受到了阻礙。到目前為止，在2D材料上所使用的防護涂層已被證明是昂貴的和有毒的，且無法被去除。

現在，麻省理工學院和其他地方的研究人員已經開發出一種超薄的涂層，它價格便宜，使用簡單，且可以通過特定的酸來去除。

研究人員說，這種新涂層可能會為這些2D材料開辟出廣泛的應用前景，他們的發現發表在《美國國家科學院院刊》上，論文由麻省理工學院的研究生SuCong、LiJu教授、KongJing教授、MirceaDinca教授和HuJuejun教授，以及麻省理工學院、澳大利亞、中國、丹麥、日本和英國的其他13人共同撰寫。

李教授說，對二維材料的研究是一個“非常活躍的領域”，這種材料可以形成只有一個或幾個原子厚度的薄片。由于其不同尋常的電子和光學特性，這些材料有很好的應用前景，例如高靈敏度的光探測器等。但其中許多物質，包括黑磷和一類被稱為過渡金屬二硫化物(TMDs)的物質，在暴露于潮濕空氣或各種化學物質時都會腐蝕。它們中的許多物質在短短幾小時內就會嚴重退化，從而無法在實際應用中使用。

“這是開發此類材料的關鍵問題”，李教授說，“如果你不能在空氣中穩定它們，它們的處理能力和用途則是有限的”。他還說，硅之所以成為電子設備中無處不在的材料，原因之一是當暴露在空氣中時，它會在表面自然形成一層二氧化硅保護層，防止表面進一步退化。但是對于這些原子厚度的材料來說，這就更困難了，它們的總厚度甚至可能比二氧化硅保護層還小。

人們曾嘗試在各種2D材料上涂上一層保護屏障，但迄今為止，它們都存在嚴重的局限性。大多數涂層比2D材料本身要厚得多，多數還很脆，易形成裂縫，讓腐蝕的液體或濕氣通過。而且許多涂層還具有毒性，會產生廢棄物處理和處置的問題。

研究人員說，這種新涂層基于一系列被稱為線性烷基胺的化合物，并改善了其缺點。這種材料可以應用在只有1納米(十億分之一米)厚的超薄涂層上，在應用后對材料進行進一步加熱，使微小的裂縫愈合，從而形成了一個連續的屏障。該涂層不僅不受各種液體和溶劑的影響，且有效阻擋了氧氣的滲透。而且，需要的話，還可以使用某些有機酸進行去除。

“這是一種獨特的”保護薄的原子薄片的方法，李說，它產生了一個額外的單分子厚度的層，稱為單層，可以提供非常持久的保護。“這使材料的壽命延長了100倍”，并將其中一些材料的加工能力和可用性從幾個小時延長到了幾個月。他補充說，這種化合物涂層“非常便宜，且容易使用”。

除了對這些涂層的分子行為進行理論建模外，該團隊還用新涂層保護的TMD材料薄片制作了一個工作用的光電探測器，用于概念驗證。涂層的材料是疏水性的，否則會擴散到涂層內部，并溶解掉涂層內自然形成的氧化保護層，從而導致腐蝕快速發生。

蘇解釋說，涂層的應用是一個非常簡單的過程。將2D材料放入液態己胺(線性烷基胺的一種形式)中，在常壓和130°C的溫度下，大約20分鐘后便形成了保護涂層。然后，為了產生光滑的、無裂紋的表面，繼續將材料在相同的己胺蒸汽中暴露20分鐘即可。

蘇說：“你只要將薄片放入這種液體化學物質中，然后讓它加熱就可以了。基本上就是這樣。”涂層“是非常穩定的，但它可以被某些特定的有機酸去除。”

這類涂層的使用可能會為2D材料開辟新的研究領域，包括TMDs和黑磷，但也可能是硅烯、stanine和其他相關材料。由于黑磷是所有這些材料中最脆弱和最容易降解的，這就是該團隊最初要用它來驗證概念的原因。

蘇說，這種新的涂層可以克服“使用2D材料的第一個障礙”。他說：“實際上，在你要將2D材料應用于任何應用之前，都需要處理工藝中的降解問題。”而現在，這一步已經完成。

該研究團隊包括麻省理工學院的核科學與工程系、化學系、材料科學與工程系、電氣工程系和計算機科學系的研究人員、電子研究實驗室的研究人員，以及其他在澳大利亞國立大學、中國科學研究院、丹麥奧胡斯大學、牛津大學、日本信州大學的研究人員等等。該項目工作也得到了來自美國能源部資助的Excitonics中心和能源前沿研究中心、國家科學基金會、中國科學院、英國皇家學會、美國陸軍研究辦公室支持的麻省理工學院士兵納米技術研究院和日本東北大學的支持。