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液態金屬上二維材料的精準合成——武漢大學付磊Acc. Chem. Res.

2018-11-21 12:24:36 作者：付磊來源：X一MOL資訊分享至：

由于電荷、自旋和熱傳輸在平面內的限域效應，石墨烯等二維材料表現出眾多獨特而優異的性質，在電子器件、光電器件等領域展現出重要的應用前景。然而，二維材料能否真正付諸應用取決于能否精準合成（如層數和疇區的精確控制，這將直接決定二維材料的質量和性質）。化學氣相沉積法（CVD）被認為是合成高質量二維材料最有效且可控的方法，其中催化基底的設計尤為重要（直接影響吸附、催化、傳質和組裝等基元步驟）。相較于傳統的固態金屬催化劑，近年來興起的液態金屬催化劑為二維材料的精準合成帶來了新的機遇。11月20日，武漢大學付磊教授在化學領域權威期刊Accounts of Chemical Research上發表了題為“Controllable Fabrication of Graphene and Related Two-Dimensional Materials on Liquid Metals via Chemical Vapor Deposition”的綜述文章，對他們課題組近年來在液態金屬上精準合成二維材料的工作進行了系統總結，并對其未來的發展方向和面臨的挑戰做出了深入的思考和前瞻性展望。

當期封面。圖片來源：Acc. Chem. Res.

因為二維材料的性質與層數存在高度依賴關系，所以層數控制是二維材料精準合成最基本的要求。基于液態金屬的相變過程，前驅體在液態體相中的析出過程能被精確控制，從而實現自限制生長，獲得近100%單層的二維材料（Chem. Mater., 2015, 27, 8230；Chem. Mater., 2014, 26, 3637；Sci. Rep., 2013, 3, 2670）。除了金屬基底，將絕緣基底（如玻璃）熔融為液態時，其上的二維材料生長也能表現出有趣的自限制行為（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 755；Chem. Mater., 2017, 29, 6095；Small, 2016, 12, 5741；Small, 2015, 11, 1840）。

石墨烯單晶自發排列形成的二維超有序結構。圖片來源：J. Am. Chem. Soc.

由于液態金屬的可流變性，其表面生長的二維材料單晶能實現可控的排列。其中包括平滑拼接、有序組裝和異質堆垛，有望構筑新型的多級或異質結構，從而實現材料的性質延伸和功能拓展。液態金屬的各向同性和可流變性能觸發石墨烯的各向同性生長，具有高活性邊緣的圓形石墨烯單晶之間能通過旋轉實現平滑拼接（ACS Nano, 2016, 10, 7189）。此外，通過設計外場擾動和調節石墨烯單晶間的相互作用力，可實現石墨烯單晶在液態金屬表面的超有序組裝，獲得二維單晶的超有序結構（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 7812）。利用液態金屬中氧化鋁納米粒子自組裝形成的陣列作為成核點，可獲得超大面積的石墨烯單晶有序陣列（Chem, 2018, 4, 626）。這種超有序的單晶自組裝行為還可拓展至其它二維材料單晶及異質結陣列的可控制備，例如二維六方氮化硼單晶陣列（Adv. Electron. Mater., 2015, 1, 1500223）以及二維六方氮化硼–石墨烯核殼陣列（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 13997）。

伴生生長的100%堆垛的ReS2/WS2垂直異質結。圖片來源：Nat. Commun.

二維材料的堆垛在液態金屬中也表現出獨特的行為。液態金屬體相中具有大量空位，能容納前驅體原子，這樣的體相傳質生長模式可直接合成出界面潔凈的二維材料垂直異質結（ACS Nano, 2016, 10, 2063）或二維材料的面內異質結（Nano Energy, 2017, 33, 356）。利用二維材料間的強范德華耦合作用，還能實現二維材料異質結的伴生生長（例如ReS2和WS2），獲得100%堆垛的垂直異質結（Nat. Commun., 2016, 7, 13911）。

此外，液態金屬體相的可切變性為二維材料的轉移帶來了新的思路。在無需聚合物載體輔助的情況下，生長于液態金屬表面的二維材料可利用滑移高效、潔凈地轉移到目標基底（Adv. Sci., 2016, 3, 1600006）。

液態金屬上二維材料的精準合成。圖片來源：Acc. Chem. Res.

由于獨特的物態，液態金屬催化劑在二維材料的精準合成方面表現出獨特的優勢。然而，這個領域也仍存在著諸多挑戰：目前大多數的工作都是在石墨烯上實現的，若能將液態金屬上的生長拓展至其它二維材料，可以預期將為更多二維材料的精準合成帶來新的突破；液態金屬上的生長研究尚停留在實驗證實階段，理論研究仍十分匱乏（液態金屬的非晶結構使得難以用傳統的建模與計算方法對其催化機制進行研究）。

我們相信這個領域尚大有可為。圍繞液態金屬的后續研究工作將為實現二維材料的大規模、精準合成奠定堅實的基礎。

導師介紹付磊http://www.x-mol.com/university/faculty/13589

課題組主頁http://leifu.whu.edu.cn/

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責任編輯：韓鑫

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