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2017上半年二維材料前沿綜述精選

2017-08-17 09:30:55 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人分享至：

天氣漸涼，2017年已過去大半。我們盤點(diǎn)匯總了上半年二維材料領(lǐng)域的重要綜述，以此總結(jié)該領(lǐng)域最新前沿科研成果。

1、Adv. Mater. 綜述：二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件中的應(yīng)用

圖1 鈣鈦礦材料及不同二維材料的晶體結(jié)構(gòu)

清華大學(xué)石高全教授（通訊作者）等人以“Two-Dimensional Materials for Halide Perovskite-Based Optoelectronic Devices”為題在Advanced Materials上發(fā)表綜述，廣泛總結(jié)了傳統(tǒng)二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件（光探測器、太陽能電池、發(fā)光二極管）中應(yīng)用的最新進(jìn)展。這些二維材料包括了石墨烯及其衍生物、單層或多層過渡金屬硫化物（TMDs）、石墨炔、金屬納米片等。此外，文中也對二維納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦和二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦在高效和穩(wěn)定光活性層中的應(yīng)用作了概述。同時，文章對二維材料的制備、功能和工作機(jī)理等方面也作了介紹，最后探討了二維材料在鹵化物鈣鈦礦基光電器件中應(yīng)用時所面臨的挑戰(zhàn)。

文獻(xiàn)鏈接：Two-Dimensional Materials for Halide Perovskite-Based Optoelectronic Devices（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605448）

2、Adv. Mater. 綜述：除磷烯外的二維單元素砷烯、銻烯以及鉍烯

圖2 三方晶系的層狀砷、銻和鉍以及正交晶系的層狀砷結(jié)構(gòu)

近些年來，二維單元素結(jié)構(gòu)逐漸成為科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)包括單層黑磷以及最近的單層砷烯、銻烯和鉍烯等。南洋理工大學(xué)的Martin Pumera教授（通訊作者）等人在Advanced Materials上發(fā)表了一篇題為“2D Monoelemental Arsenene, Antimonene, and Bismuthene: Beyond Black Phosphorus”的綜述文章。這篇文章簡要概括綜述了砷烯等氮族二維材料近期出現(xiàn)的指數(shù)性增長研究。文章不僅介紹了相關(guān)領(lǐng)域的歷史工作，還探討了塊體砷、銻、鉍等的性質(zhì)，以及單層或者多層二維材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

文獻(xiàn)鏈接：2D Monoelemental Arsenene, Antimonene, and Bismuthene: Beyond Black Phosphorus（Adv. Mater.,2017,DOI: 10.1002/adma.201605299）

3、Chem. Rev. 綜述：超薄二維納米材料的最新進(jìn)展

圖3 超薄二維納米材料

石墨烯和類石墨烯材料的研究進(jìn)一步豐富了二維超薄材料的成員。目前關(guān)于二維材料的綜述只關(guān)注了專門一類的二維材料，如石墨烯或者特定類型的二維材料，但是還沒有對二維材料這一熱門領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)完全的總結(jié)。新加坡南洋理工大學(xué)的張華教授（通訊作者）等人以“Recent Advances in Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials”為題在Chemical Reviews上發(fā)表綜述，詳細(xì)總結(jié)了二維材料的最新研究進(jìn)展，對二維材料的組成和結(jié)構(gòu)、合成方法、表征及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，文章最后對二維材料的發(fā)展和存在的問題進(jìn)行了總結(jié)。

文獻(xiàn)鏈接：Recent Advances in Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials（Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00558）

4、Chem. Soc. Rev. 綜述：非石墨烯二維納米片

圖4 銀基質(zhì)上硅烯的顯微結(jié)構(gòu)

二維材料有著原子尺度的厚度，幾乎所有的原子都被暴露在表面上，提供了極大且特殊的表面積，由于量子限域效應(yīng)，其展現(xiàn)出了特殊的物理、化學(xué)和電子性能，這使得它們的表面相與大多數(shù)同類一樣重要。來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳乾旺教授、淮北師范大學(xué)孔祥愷副教授、阿克倫大學(xué)彭振猛教授（共同通訊）等人在Chemical Society Reviews上發(fā)表了一篇名為“Elemental two-dimensional nanosheets beyond graphene”的綜述。在綜述中，主要總結(jié)和討論了除石墨烯外其他二維材料的最新進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了它們的基本成分和應(yīng)用，最后還展望了新一代的二維納米結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)鏈接：Elemental two-dimensional nanosheets beyond graphene（Chem.Soc.Rev.,2017,DOI: 10.1039/c6cs00937a）

5、Adv. Mater. 綜述：二維材料中的原子缺陷：從單原子光譜到光/電子、納米磁性和催化中的功能性

圖5 石墨烯中邊緣原子的電子性質(zhì)

二維材料研究興起的同時也伴隨著挑戰(zhàn)，比如大規(guī)模合成樣品中存在的缺陷工程。為了缺陷工程開發(fā)應(yīng)用特定的策略，闡明結(jié)構(gòu)缺陷對電子性能的影響是非常有必要的。近日來自浙江大學(xué)的張澤院士、金傳洪教授、袁俊教授（共同通訊）以“Atomic Defects in Two-Dimensional Materials: From Single-Atom Spectroscopy to Functionalities in Opto-/Electronics, Nanomagnetism, and Catalysis”為題在Advanced Materials上發(fā)表綜述，主要回顧了二維晶體中兩個方面的缺陷：一個是通過原子分辨電子顯微鏡探測石墨烯和六方氮化硼中出現(xiàn)的點(diǎn)缺陷，分析它們的局部電子性質(zhì)。另一個將側(cè)重于TMD中的點(diǎn)缺陷及研究其對電子結(jié)構(gòu)、光致發(fā)光和電傳輸性質(zhì)的影響。

文獻(xiàn)鏈接：Atomic Defects in Two-Dimensional Materials: From Single-Atom Spectroscopy to Functionalities in Opto-/Electronics, Nanomagnetism, and Catalysis（Adv.Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201606434）

6、Adv. Mater. 綜述：石墨烯以及其他二維膠體：液晶和宏觀纖維

圖6 基于液晶的宏觀纖維合成策略

浙江大學(xué)的高超教授（通訊作者）課題組在材料頂級期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為“Graphene and Other 2D Colloids: Liquid Crystals and Macroscopic Fibers”的文章，討論了二維膠體、液晶與宏觀纖維關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的研究。作者首先追溯了二維膠體的歷史，探討了在液晶研究背景中二維納米材料纖維的概念，詳細(xì)闡述了制備的動機(jī)、原理和可能的策略。然后文章重點(diǎn)關(guān)注了石墨烯纖維的出現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用。此外，二維納米纖維的最新進(jìn)展以及未來發(fā)展趨勢也被概括描述。

文獻(xiàn)鏈接：Graphene and Other 2D Colloids: Liquid Crystals and Macroscopic Fibers （Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606794）

7、Chem. Soc. Rev. 綜述：二維材料束縛下的表面化學(xué)和催化

圖7 二維材料下的化學(xué)

二維材料的特點(diǎn)是面內(nèi)結(jié)合力強(qiáng)而面間作用弱，而研究二維材料界面之間的化學(xué)過程是近來新興的科學(xué)領(lǐng)域。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的包信和院士和傅強(qiáng)研究員（通訊作者）等人在綜述期刊Chemical Society Reviews上發(fā)表了一篇題目為“Surface chemistry and catalysis confined under two-dimensional materials”的文章。作者首先介紹了原子或者分子在超薄二維材料上的插入過程，說明了二維材料作為納米容器的概念。然后介紹了二維束縛空間中出現(xiàn)的催化反應(yīng)、化學(xué)氣相沉積和電化學(xué)反應(yīng)等過程，說明了二維材料作為納米反應(yīng)器的概念。最后，文章總結(jié)提出了二維表面的限制效應(yīng)促使了狹小空間中新型化學(xué)的產(chǎn)生。

文獻(xiàn)鏈接：Surface chemistry and catalysis confined under two-dimensional materials（Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/C6CS00424E）

8、Nat. Mater. 綜述：混合維度的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)

圖8 典型的2D材料和混合維度范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖

層狀材料中，范德華相互作用不僅僅局限在片層間相互作用。事實(shí)上，任何鈍化的或者懸垂鍵自由表面間相互作用均通過范德華力。這也就使得任何層狀2D材料能夠與許多不同維度的材料整合成為混合維度范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，即2D+nD（n=0,1,3）的組合。這也催生了對更廣范圍范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的更深入的研究。美國西北大學(xué)的Mark C. Hersam教授（通訊作者）等人對混合維度范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行了整理，特別強(qiáng)調(diào)了其在固相器件中的應(yīng)用。作者首先對混合維度異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大體分類以及其所包含材料的種類。然后討論了電荷輸運(yùn)的物理現(xiàn)象和混合維度界面的波段調(diào)整，同時突出強(qiáng)調(diào)了相關(guān)的化學(xué)過程和合成路徑。最后，作者討論了混合維度異質(zhì)結(jié)構(gòu)在固態(tài)器件中的應(yīng)用，以及未來整合成主流技術(shù)的展望。該篇綜述在Nature Materials上以“Mixed-dimensional van der Waals heterostructures”為題發(fā)表。

文獻(xiàn)鏈接：Mixed-dimensional van der Waals heterostructures（Nat. Mater.,2017,DOI: 10.1038/nmat4703）

9、Nat. Mater. 綜述：層狀二維材料中的激元

圖9 石墨烯等離子體

美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的Tony Low（通訊作者）等人綜述了大量二維材料中的激元模式以及近期的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。作者還調(diào)查了這些激元模式的光學(xué)光譜性質(zhì)以及應(yīng)用。二維材料激元及其雜化這一新興研究領(lǐng)域的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)操縱光-物質(zhì)作用提供了不同且極具潛力的可能。相關(guān)的內(nèi)容以“Polaritons in layered two-dimensional materials”為題發(fā)表在頂級期刊Nature Materials上。

文獻(xiàn)鏈接：Polaritons in layered two-dimensional materials （Nat. Mater.,2017,DOI: 10.1038/nmat4792）

10、Nat. Rev. Chem. 綜述：二維材料的合成及其元素化學(xué)

圖10 能合成二維材料的元素以及其對應(yīng)的合成方法

美國西北大學(xué)的Mark C. Hersam和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的Nathan P. Guisinger（共同通訊）等人詳細(xì)總結(jié)了二維材料的合成以及化學(xué)性質(zhì)的表征方法，重點(diǎn)講解了基本二維材料的合成。基于石墨烯這種最典型的二維材料，講解了與石墨烯接近的第III主族硼的二維材料、第IV主族硅、鍺和錫的二維材料以及第V主族磷、鉍的二維材料的理論計(jì)算的結(jié)構(gòu)、性能預(yù)測，隨后總結(jié)了每一種材料的合成以及表征方法和結(jié)果，針對這些二維材料的常溫不穩(wěn)定問題，還提出了改善其常溫穩(wěn)定性和化學(xué)性質(zhì)的方法，最后對二維材料這個領(lǐng)域未來的發(fā)展做了展望。以上內(nèi)容以“Synthesis and chemistry of elemental 2D materials”為題發(fā)表在2017年1月25日的Nature Reviews Chemistry上。

文獻(xiàn)鏈接：Synthesis and chemistry of elemental 2D materials（Nat. Rev. Chem., 2017, DOI:10.1038/s41570-016-0014）

11、Nat. Rev. Mater. 綜述：2D過渡金屬硫化物

圖11 TMDCs的結(jié)構(gòu)和電子特性

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的Andras Kis（通訊作者）等人應(yīng)邀在Nature Reviews Materials上發(fā)表了題為“2D transition metal dichalcogenides”的綜述文章。文章主要對近年來2D-TMDCs在結(jié)構(gòu)、電子能帶、性質(zhì)、合成方法、半導(dǎo)體器件應(yīng)用等方面取得的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)性的回顧，指出2D-TMDCs研究仍然處于非常基礎(chǔ)的階段，有待科研工作者大量卓有成效的研究成果來推動其實(shí)際應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：2D transition metal dichalcogenides （Nat. Rev. Mat., 2017, DOI: 10.1038/natrevmats.2017.33）

12、Nano Energy綜述：石墨烯之外無支撐原子級薄層二維材料與光催化：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

圖12 原子級薄層二維材料

原子級薄層二維材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性能在多種光催化應(yīng)用上均有潛在的前景。但是對結(jié)構(gòu)與活性之間關(guān)系的理解依然是不充分和極具挑戰(zhàn)性的。因此，江蘇大學(xué)夏杰祥副教授（通訊作者）和新加坡南洋理工大學(xué)的劉政教授（通訊作者）等人在Nano Energy上發(fā)表了題為“Freestanding atomically-thin two-dimensional materials beyond graphene meeting photocatalysis: Opportunities and challenges”的綜述文章。在這篇文章中，作者調(diào)研了原子級薄層二維材料的制備方法。通過研究近來發(fā)展的無支撐原子級薄層光催化劑，作者還重點(diǎn)思考了從光富集、電荷分離以及界面反應(yīng)等三個主要因素出發(fā)的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。多種活性提高策略以及該種二維材料在光催化領(lǐng)域面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)也被一一概述。

文獻(xiàn)鏈接：Freestanding atomically-thin two-dimensional materials beyond graphene

meeting photocatalysis: Opportunities and challenges （Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.03.030）

13、Adv. Energy Mater. 綜述：二維材料層間距調(diào)控與電化學(xué)儲能

圖13 二維材料儲能應(yīng)用概述

二維材料可以通過化學(xué)氣相沉積法（CVD），氧化還原插層剝離法，水熱模板組裝法，超聲剝離法等方法制備。插層法制備二維材料不僅可以增大其片層間距，也改變了能帶填充狀態(tài)和費(fèi)米能級，從而增強(qiáng)導(dǎo)電性、離子傳輸能力和催化活性。武漢大學(xué)付磊教授在Adv. Energy Mater.雜志上發(fā)表Opening Two-Dimensional Materials for Energy Conversion and Storage: A Concept的綜述文章，主要介紹了二維材料（石墨烯，過渡金屬硫化物（TMDs），過渡金屬碳化物（TMCs），黑磷（BP），石墨相氮化碳（g-C3N4）等在能量轉(zhuǎn)換與儲存器件領(lǐng)域的研究進(jìn)展，包括太陽能電池，熱電器件，電催化材料，超級電容器和二次電池等。

文獻(xiàn)鏈接：Opening Two-Dimensional Materials for Energy Conversion and Storage: A Concept （Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201602684）

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