《Nature》刊发！北航材料学院攻克国际性难题 单层二维材料研究取得进展
2020-03-09 13:34:52
作者：本网整理 来源：北京航空航天大学
日前，《Nature》杂志在线以全文Article的形式发表了北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌教授课题组在单层二维材料研究方面取得的最新进展。
《Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides》发现并提出一种合成单层二维材料的新方法──拓扑转化法，通过转化非范德华固体（过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MAX相）等）直接大量制备出具有超稳定和超高单层率的单原子层二维过渡金属硫族化物，攻克了单层二维材料难以制备和不稳定的国际性难题，所制备单原子层二维材料在电子器件、光电器件、催化和能源存储领域中具有广阔的应用前景（Nature 577, 492-496 (2020)）。
第一作者：杜志国 （北航2015级博士研究生）
通讯作者：杨树斌 Pulickel M. Ajayan
第一单位：北京航空航天大学，材料科学与工程学院
单层二维材料如二维过渡金属硫族化物，由过渡金属原子与硫族原子组成，由于其独特的二维结构，在电子器件、催化、能量存储等诸多领域具有广泛的应用前景。传统制备二维过渡金属硫族化物通常是由以机械剥离、液相剥离和电化学剥离法为典型代表的“自上而下”的合成方法和以化学气相沉积法为典型代表的“自下而上”的制备方法。但这些方法合成二维过渡金属硫族化物的产率/单层率超低（<1%），且结构（尤其1T相）不稳定，严重限制了二维材料的应用。
杨树斌教授等人提出合成二维材料的新方法——拓扑转化法，通过逐步转化非范德华固体（过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MAX相）等）直接大量制备出具有超稳定和超高单层率的单原子层二维过渡金属硫族化物，攻克了单层二维材料难以制备和不稳定的国际性难题。以MAX相合成二维过渡金属硫族化物为例，研究人员通过将MAX相与含硫族元素的气体或蒸气（硫、硫化氢、硒等）HyZ (y=0, 2)反应 （图 (a)），由于MAX相中M-X键为强的离子键或共价键，而M-A键为较弱的金属键，因此，在高的反应温度下（873-1373K），非范德华固体材料中的A相会与含硫族元素的气体进行反应生成具有较高蒸汽压的气态产物（AZ）从反应体系中脱离（图(b)），M相会相应地反应形成具有特定手风琴结构的二维过渡金属硫族化物（MZ）。研究揭示了这个拓扑转化由反应产物的焓和蒸汽压控制。通过调控MAX相的组成（三元或四元的MAX相）和在反应体系中引入第三反应物（磷蒸气），可以合成具有较高单层率（~30%）、超高温稳定（>1000oC）的二维过渡金属硫族化物（2H/1T相）。当采用层状的过渡金属碳化物（Mo2C）作为反应物，可以合成具有超高单层率（~90%）的MoS2，攻克了单层二维材料的制备难题。
图(a)：转化非范德华固体（MAX相）合成超高单层率和高温稳定的二维过渡金属硫族化物的机理图。图(b)：MAX相中A相与含硫族元素的气体或蒸气形成的中间物的饱和蒸汽压-温度曲线。
通过拓扑转化非范德华固体，研究人员合成了14种具有可控相结构和超高单层率的过渡金属硫族化物，其中包括7种过渡金属硫族化物Ti5S8，TiSe2，NbS2，NbSe2，MoS2，MoSe2，TaS2，5种掺杂过渡金属硫族化物Y掺杂WS2，Nb掺杂TiSe2，Y, P共掺杂WS2，P掺杂MoS2，P掺杂TiSe2，1种复合物MoSe2/TiSe2。这种拓扑转化方法将成为除传统Top-down和Bottom-up之外的第三种方法，有望规模化合成系列超高单层率和高温稳定的范德华二维材料，并在能源存储和转化、电子器件等领域具有广阔的应用前景。
同时，新加坡国立大学的Wei Sun Leong教授对北航杨树斌教授的工作进行了评述，并发表在《Nature》上。评述中指出：这种方法可以直接将非范德华固体材料转变为单层TMCs，极具普适性，且操作简便，成本低廉，非常适合工业生产，将二维材料的应用极大地推向了市场商业化。从科学本身角度而言，杨树斌教授团队的最新研究工作表表明，少量（<1％）杂原子的掺杂可以稳定单层过渡金属硫族化物，用于解决二维材料在环境中的不稳定性，这为材料研究人员提供了新的思路：应当开始探索使用化学元素来稳定二维材料，而不用再使用包覆等复杂策略。
新加坡国立大学的Wei Sun Leong教授对北航杨树斌教授的工作进行评述，并发表在《Nature》上
拓扑转化法可以直接将非范德华固体材料转变为单层TMCs
该工作由来自于4个单位的11位合作者共同完成：北航杨树斌课题组联合美国莱斯大学的Pulickel M. Ajayan教授课题组、清华大学深圳研究生院邹小龙教授课题组和中国科学技术大学的宋礼教授课题组。该工作采用了多种先进测试和表征手段单层二维材料。该工作主要得到了国家自然科学基金优青项目和面上项目（51622203，51572007）和教育部111引智计划（B17002）等的资助。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1904-x
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