段曦东教授团队在原子层二维金属范德华外延生长等研究上取得重要进展(图文)

最近，由于特殊的物理性质（例如电荷密度波，磁性和超导性），二维（2D）金属过渡金属二硫化物（MTMD）引起了学术界的广泛的关注。尽管学术界最近有一些进展，合成单层厚度的超薄2D-MTMD纳米片仍然是一个重大挑战。这与2D半导体相对容易合成单层的情况形成鲜明对比。因此，合成单层等超薄2D-MTMD纳米片具有重要的意义。我校化学化工学院段曦东教授领衔的团队致力于化学气相沉积可控合成金属过渡金属二硫化物二维材料取得了系列重要进展。

图片说明：在原子级平面2D WSe₂或WS₂范德华外延原子级薄的2D金属MTe₂（M = V，Nb，Ta）单晶纳米片

日前，段曦东团队选择无悬空健的2D WSe₂或WS₂作为金属过渡金属二硫化物的生长基底。与在相同条件下传统有悬空健的SiO₂/Si衬底上生长的对比表明，使用无悬空键的WSe₂或WS₂作为范德华外延衬底对于成功实现原子级薄金属过渡金属二硫化物，如MTe₂（M = V，Nb,Ta）纳米片是至关重要的。实验与分析表明生长前驱体原子、分子与基底的范德华作用力促使材料横向生长而不是垂直方向生长，最终更有利于形成超薄的二维材料。科研团队最终实现了原子级薄的2D金属MTe₂（M = V，Nb，Ta）单晶的合成，其厚度低至单层，并且形成原子级薄的MTe₂/WSe₂（WS₂）垂直异质结生长。实验进一步研究表明，外延生长的2D金属可以用作2D半导体器件的范德华接触电极，这种电极几乎没有传统工艺的界面损坏等问题，改善了半导体的电子学性能。此研究为超薄2D-MTMD定义了一种稳健的范德华外延路径，这对于2D限制下这类新材料的基础研究和潜在技术的研究具有至关重要的意义。该成果以“van der Waals Epitaxial Growth of Atomically Thin Two-Dimensional Metals on Dangling-Bond-Free WSe₂ and WS₂”的研究论文发表在材料领域顶级期刊《先进功能材料》（Advanced Function Materials，影响因子为13.3）。化学化工学院段曦东教授为通讯作者，博士研究生吴瑞霞为第一作者。

另外，研究团队还首次使用化学气相沉积合成了高质量的CoTe₂单晶纳米片，通过电学测试表明CoTe₂单晶纳米片具有超高电导率和击穿电流密度。最近层状金属过渡金属硫化物CoTe₂被报道可以作为高效的电催化剂，并且具有低的过电位和Tafel斜率。另外，CoTe₂被报道在90K以上具有顺磁性。然而，目前对超薄CoTe₂单晶的合成和厚度可调的电学性质方面的研究却非常稀少。该团队实验结果表明通过降低生长温度和增大载气的流量得到的CoTe₂纳米片的厚度和形貌会发生系统地变化，由多数为厚的六边形区域变为薄的三角形区域。X射线衍射及高分辨透射电镜结果证明了合成得到的CoTe₂纳米片为高质量的单晶纳米片。此外，通过电学测试表明CoTe₂单晶纳米片是具有超高电导率和击穿电流密度。CVD生长的二维超薄碲化钴单晶纳米片不仅丰富了二维家族，也可能为金属过渡金属硫化物在原子规模上应用研究提供了平台。相关研究成果以“Chemical Vapor Deposition Growth of Single Crystalline CoTe₂ Nanosheets with Tunable Thickness and Electronic Properties”的研究论文发表在材料领域顶级期刊《材料化学》（Chemistry of Materials, 影响因子为9.890）。化学化工学院段曦东教授为通讯作者，博士研究生马惠芳为第一作者，博士研究生党伟琪为共同第一作者。

图片说明：控制温度和流量可控合成各种厚度的CoTe₂单晶纳米片

段曦东团队最近还报道了其它一系列的二维材料领域的工作，如Sb掺杂的SnS₂ 单层纳米片的合成与光检测器应用、用无悬空健的WSe₂作为基底生长锑烯并用形成的范德华异质结制备了光二极管、制备了1D/2D Sb₂Se₃/WS₂混合维度的范德华异质结并对异质结的光伏效应等进行了研究，这些成果发表在国际纳米领域著名期刊《纳米研究》（Nano Research,影响因子7.994）等学术刊物上。

责任编辑：文亦佳

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