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Nature:UCLA段镶锋团队发明新型二维超晶格材料

江苏纳米创新中心2019-01-10 10:12:34

具有超晶格的二维层状结构材料,因具有特殊的光电性能受到了广泛关注,无论是石墨烯还是过渡金属二硫属元素化合物,亦或是近年来研究火热的黑磷,都表现出了极大的应用潜力。


目前,这些二维超晶格材料的主要制备方法包括剥离法和沉积法,前者通过先层层剥离,再重新堆叠实现超晶格的构造,需要耗费大量人力和时间,产量和产率都不高,后者则主要通过化学气相沉积实现高质量异质结构,但是技术难度较大。


近日,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员开发了一种构造二维超晶格材料的通用新方法,并成功构造出多种新型超晶格二维结构,由单分子原子晶体与分子层交替层叠而成。层间距和相组成可以通过使用不同分子层来调节,从而实现不同的结构、性质和功能,在电子和光电器件领域展现出极为广阔的应用前景。相关研究成果在线发表在3月7日的Nature期刊上。(“Monolayer atomic crystal molecular superlattices”).


该研究由UCLA的华人教授段镶锋及黄昱教授领导。该团队在研究中表示,传统的半导体超晶格通常只能由具有高度相似的晶格对称性的材料制成,也就是说它们通常具有相似的电子结构。他们首次创建了层与层之间可以完全不同的稳定超晶格结构,但是每层中原子-分子又几乎完美的排列。这种新型超晶格结构的电子性质可被调节,有极大的应用潜力,值得进一步的研究探索。


研究人员称这种人造超晶格结构为“单层原子晶体分子超晶格”,其主要通过电化学分子插层来实现。在这个过程中,研究人员对2D材料施加负电压,带负电荷的电子被引入到其中,这些电子会吸引带正电荷的铵离子到原子层之间的空间中,并自组装成有序晶体结构中的新层,形成超晶格结构。


电化学分子插层法制备新型二维超晶格结构


研究人员首先利用黑磷—2014年以来兴起的一种二维超晶格半导体材料,来探索这项技术的可行性。利用负电压,研究人员成功将带正电的有机胺引入到层状磷原子薄片之间,构成了二维超晶格材料。


随后,该团队将不同类型的具有各种尺寸和对称性的有机胺分子插入到了一系列二维材料中,创建了一大类超晶格材料。他们发现通过改变插入的分子类型,可以实现对这些新型超晶格结构和相组成的调整,从而使其具有期望的电子和光学性质。


该项目提出的这种构造二维超晶格材料的方法,适合各种2D超晶格材料材料,如2D半导体材料WSe2、In2Se3、2D热电材料SnSe、2D压电材料GeS等,且相比传统方法速度更快、效率更高。更关键的是,这种方法很容易制备出具有成百上千个交替层的超晶格材料,且其中插入的分子层可以千变万化,并产生具有各种独特性能的二维材料,开创了二维超晶格材料研究的新方向。


来源:加州大学洛杉矶分校

文献链接:https://www.nature.com/articles/nature25774


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