霸气!一招合成20种二维材料,硫化物、硒化物、碲化物、氮化物一网打尽!
NanoLab 纳米人 2019-07-08

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作者:一只喵

来源:催化计 公众号

二维材料的研究,肇始于石墨烯,盛于二维金属硫属化物,中兴于魔角,而今正在其星辰大海的路途上奔波不止。二元二维纳米材料主要形式为MXn,其中M为过渡金属,X为IV,V或VI族的硫属元素或非金属。相比于hBN,Mo和W的二硫化物或二硒化物被研究的更多,其中一个重要因为就在于其合成方法更加成熟。

 

原子级超薄的二维材料的制备主要分为两类方法:1)机械剥离;2)物理沉积。这两大类方法存在许多限制条件,导致二维材料的规模化以及更多元素的体系拓展受到限制。尤其是高品质CVD法制备的二维材料,需要对精确控制原料的计量比以调控缺陷密度,除此之外,还要采用金属氧化物或者有机金属前驱体作为原料,十分不利于体系的拓展。

 

有鉴于此,丹麦技术大学的Timothy J. Booth等人报道了一种普适性的合成策略,可以通过一种简单的工艺,实现至少20种二元二维材料的合成,包括硫化物、硒化物、碲化物、氮化物。

 

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一般认为,通过CVD在金属催化剂上生长二元化合物时,M和X元素都必须不溶于催化剂,以确保二维材料在表面限域生长,譬如CVD石墨烯在铜上的制备过程。然而,尽管硼在铜中具有高溶解度,在铜上生长单层hBN薄膜依然没有什么问题,这表明只有一种组分不溶也可以制备出二维材料。


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图1. 合成策略


Timothy J. Booth团队就按照这个思路,以固体元素为前驱体,直接在金属催化剂上生长二元二维材料。考虑到Au对X元素(X = S,Se,Te,N)溶解度极其有限,他们首先在蓝宝石衬底上溅射20 nm后的M金属薄膜,然后生长约500nm后的Au膜,通过850℃将M-Au层加工成具有Au {111}面的合金化的单组分固溶体。其中,M和Au层的相对厚度决定了最终合金中M的浓度。在这里,比例限制在≤5%是为了保持单一相的合金化条件。随后,研究团队将Au-M合金暴露于元素X的气相前驱体中,X在Au中的有限溶解度限制了MXn化合物在合金表面的深度生长,最终形成原子级超薄二元二维材料,并与Au衬底外延对齐。

 

由于这种策略只需要一种元素不溶,因此极大地放开了对原料的限制,在此基础上,研究人员把合成体系拓展到更广阔的领域,系统合成了包括硫化物、硒化物、碲化物、氮化物四大类材料在内的20多种二元二维纳米材料,不可谓不壮观。

 

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图2. 体系拓展


虽然这种方法借用了纳米线经典的VLS生长策略,也和之前的一些CVD方法颇有相似之处,而且部分材料并非品质很高。但是,这种方法能够使用一个配方和简单的元素前驱体外延普适性地合成已有和全新的二维材料,不可谓不是一大进步。

 

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参考文献:

Abhay Shivayogimath, Timothy J. Booth et al. A universal approach for the synthesis of two-dimensional binary compounds. Nature Communications 2019, 10, 2957.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-11075-2

 

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