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梳理:从近期 Nature 看二维纳米材料的最新进展

以单层石墨烯为代表的各类二维纳米材料由于其多样的理化性质,以及在器件、传感、催化、医药和能源等领域的的广泛应用前景而倍受关注。近期,二维纳米材料的研究成果层出不穷,更是在国际顶尖学术期刊发表的文章中占有一席之地。Nature作为当今全球最具影响力的学术期刊之一,引领着科学界最前沿的研究方向。

以下汇总了近几个月在Nature正刊上发表的二维纳米材料的研究成果。涉及的二维材料包括石墨烯、MoS2、WSe2 、WTe2 、MoO3 、Fe3GeTe2等,研究的方向包含了制备表征,物理特性,和器件、储能中的应用等,覆盖的范围不可谓不广。

这些成果来自于世界各地的研究者,包括材料大牛段镶锋团队,苏州大学的鲍桥梁团队,以及复旦大学的张远波团队等。 希望这些成果汇总能对二维材料的研究者有所启发。

一、石墨烯

近期研究者对石墨烯在水分子渗透器件、太赫兹技术和锂离子储能等方面的应用进行了探讨,并在Nature上刊登了研究成果:

1.基于石墨烯氧化物的电场可控的水渗透技术

研究方向:器件应用

梳理:从近期 Nature 看二维纳米材料的最新进展

控制水分子在薄膜或毛细管中的传输在水净化与医疗保健领域具有重要意义。英国曼彻斯特大学的R.R.Nair教授和团队通过可控电场击穿氧化石墨烯膜并在其内部形成导电通道,利用内部的局部电场电离水分子,并通过施加的电流强度来控制水分子的流量。作者们同时讨论了氧化石墨烯薄膜厚度,氢离子和氢氧根离子等因素对水分子传输动力学的影响。这个成果为研发智能薄膜技术、人工生物系统开辟了新的途径。

文献链接:Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes (Nature 559, 236–240)

2.石墨烯上由迪拉克费米子产生的高效太赫兹高次谐波

研究方向:物理特性

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石墨烯被多次预测认为可以产生光谐波,并在太赫兹技术上发挥关键作用。理论上,它应该能够达到比当今的硅基电子器件快千倍的时钟频率。德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心Michael Gensch团队和杜伊斯堡-埃森大学以及马普所聚合物研究所的Dmitry Turchinovich团队展开合作,首次展示了采用频率在0.3–0.68 THz之间的电磁脉冲,在石墨烯中转化为三倍、五倍、七倍于初始频率的电磁波,即太赫兹频率范围。测量值与热力学模型得出的结果一致。这一突破表明基于石墨烯的器件能在超快时钟频率下高效地运作,并为超高速石墨烯基纳米电子器件铺平了道路。

文献链接:Extremely efficient terahertz high-harmonic generation in graphene by hot Dirac fermions (Nature 561, 507–511)

3.石墨烯片层间超密锂储存

研究方向:储能应用,表征技术

梳理:从近期 Nature 看二维纳米材料的最新进展

碳材料是锂离子可逆电池的主体材料,锂离子在这些碳材料上的排列方式却难以观测。使用原位TEM的问题在于这种技术不适用轻质元素,尤其是Li的表征。德国马普固体研究所Jurgen H. Smet团队和德国乌尔姆大学Ute Kaiser团队采用了一种低压原位TEM,实现了对双层石墨烯中锂离子可逆插层和排列的实时观测。研究团队利用球差和色差矫正来保证足够的对比度和分辨率,并加以电子能量损失能谱和DFT计算的辅助,发现锂原子在双层石墨烯片层中间形成多层致密结构,使得锂储存容量远超LiC6结构。这项研究揭示了一种全新的离子在二维层状材料中的储存机理。

文献链接:Reversible superdense ordering of lithium between two graphene sheets (Nature doi: 10.1038/s41586-018-0754-2)

二、二硫化钼

二硫化钼方面,Nature报道了一项亚埃分辨率显微镜表征MoS2的工作,以及一种高效的MoS2制备方法和其在电子元件上的应用。除此之外,还探讨了MoS2 与WSe2形成范德华异质结构下的激子操控:

1.亚埃分辨率电子显微镜表征二维材料

研究方向:表征技术

梳理:从近期 Nature 看二维纳米材料的最新进展

获得原子分辨率的成像是探索纳米材料的重要条件。电子显微镜的分辨率一般由数值孔径和电子束能量决定,为避免二维材料的位移损坏,成像往往在低能量下进行,故分辨率被制约在1埃左右。美国康奈尔大学的David A. Muller团队采用一种新的层叠衍射图像重构技术(ptychography),在低电压成像条件下,实现了0.04纳米的分辨率,刷新了纪录。这种成像技术采用原子大小的电子束,采集二维扫描区域每个位置的衍射图,再通过成像算法重建出材料的结构。在重构图里能够非常清晰地看见MoS2中单个硫原子缺陷。该方法对研究更复杂的材料缺陷,三维重构等技术都可能产生革命性的影响。

文献链接:Electron ptychography of 2D materials to deep sub-ångström resolution (Nature 559, 343–349)

2.室温下范德华异质结构中电场可控的激子流量

研究方向:器件应用

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基于操控激子的器件有望实现光学数据传输和电子处理系统间的有效互联,但是激子极短的寿命以及极低温度的工作条件限制了它们在这个领域的有效应用。瑞士洛桑联邦理工学院的Andras Kis团队发明了一种使用激子的晶体管,该晶体管基于二维半导体WSe2和MoS2范德华异质结构,可在室温下有效地发挥作用。在MoS2–WSe2体系下产生的激子有更长的寿命,可以在室温下扩散很远。作者们进一步通过施加电势等方式来控制激子流量和动力学。这一成果展示了二维材料在基于操控激子的器件中的应用前景。

文献链接:Room-temperature electrical control of exciton flux in a van der Waals heterostructure (Nature 560, 340–344)

2.可用于大面积电子元件的二维半导体

研究方向:制备方法,器件应用

梳理:从近期 Nature 看二维纳米材料的最新进展

二维半导体,例如MoS2纳米片,在大面积薄膜电子器件领域极具应用前景,但目前制备高质量、可溶液处理的二维半导体纳米片仍然是一项挑战。美国加州大学洛杉矶分校的Xiangfeng Duan和Yu Huang团队通过电化学方法将季铵盐分子嵌入到二维半导体层间,在经过超声和剥落处理后,他们得到了高纯度的半导体相MoS2纳米片,且厚度非常均一。这些纳米片进一步被加工成高性能薄膜晶体管,可用于构建功能逻辑门电路。这种插层/剥离方法还可广泛应用于其他各种二维材料的制备,为用于大面积电子器件的高质量纳米片的生产提供了有力支持。

文献链接:Solution-processable 2D semiconductors for high-performance large-area electronics (Nature 562, 254–258)

三、磁性二维材料和天然范德华材料

近期Nature报道了一些二维材料的电磁特性,如WTe的铁电反转,Fe3GeTe2的铁磁性等。除此之外,还报道了一种天然范德华材料α-MoO3的极化子传播现象:

1.二维金属的铁电反转

研究方向:物理特性

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铁电体是一类重要的极性材料,其极化方向在外加电场作用下可以发生反转。当材料变薄到单原子层结构时,它们的性质往往会发生根本性变化,比如单层WTe2在低温下可转变成二维拓扑绝缘体或超导体。美国华盛顿大学西雅图分校的David H. Cobden团队首次验证了WTe2拓扑半金属二维材料在室温下的铁电极化反转能力。研究人员构建了多层WTe2堆叠的结构,当电场上下扫描双层和三层WTe2器件时,他们观察到了铁电转换行为,且该极化过程可以通过栅电极进行控制。铁电性是除量子自旋霍尔效应、关联效应和超导性以外在WTe2中新发现的一种重要物理性质。

文献链接:Ferroelectric switching of a two-dimensional metal (Nature 560, 336–339)

2.天然范德华晶体中的面内各向异性和超低损耗极化子

研究方向:物理(光学)特性

梳理:从近期 Nature 看二维纳米材料的最新进展

在石墨烯和二维范德华材料中存在强大的极化子场限。理论预测了范德华材料的面内各向异性和电子特性可以导致极化子在其表面各向异性传播,但研究者们在天然材料中还难以观察到这一现象。苏州大学Qiaoliang Bao和西班牙奥维耶多大学Rainer Hillenbrand团队报告了极化子沿着一种天然范德华材料,α-MoO3的表面各向异性传播。所测量的极化子的振幅寿命为8皮秒,比室温下石墨烯等离激元的极化子的寿命长十倍多,也是目前报道的氮化硼的声子极化子和低温石墨烯等离激元的极化子的4倍。这项研究成果表明范德华材料中的面内各向异性和超低损耗极化子可以实现定向的光与物质的相互作用,并可以应用于生物传感和量子纳米光学。

文献链接:In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal (Nature 562, 557–562)

3.二维Fe3GeTe2中室温下栅压可调的铁磁性

研究方向:物理特性

梳理:从近期 Nature 看二维纳米材料的最新进展

磁性材料的研究对自旋子器件的发展有着重大意义。范德华晶体有着很好的化学稳定性,并且厚度很薄,易于调制。最近研究人员探测到了一些绝缘层状材料在低温下的二维磁性,但这些材料的绝缘性质和低于室温的工作条件成为其在电子器件应用中不小的障碍。复旦大学的Yuanbo Zhang团队从一种金属性的层状材料Fe3GeTe2 上分离出单层结构并研究了它的磁输运性质。单层的Fe3GeTe2在低温下仍具有铁磁性以及面外磁各向异性。更重要的是,他们利用栅压调制等技术使得样品的铁磁转变温度提高到室温以上,为未来范德华薄膜材料在电势可控的电磁器件上的应用提供了参考。

本文来自材料牛,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。

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