中科院化学所在二维材料自组装研究中取得新进

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二维过渡金属二硫族化合物,由于量子限域效应,展示了许多与其块体材料不同的光、电、磁性质。具有本征带隙的二维TMDs,作为零带隙石墨烯材料的互补材料,为新型场效应晶体管与光电器件提供了新的可能。最近关注的焦点集中于它们本征的或者平面异质结结构的制备及其性质、应用的研究,尤其是在二维尺度的研究上。除了二维尺寸和形式的变化,原子级薄的TMDs片自组装,是一个新兴的领域,目前探索很少。作为一种纸状的薄膜材料,通过折叠和卷曲的组装过程可以把二维材料相对简单的结构变成复杂的拓扑结构,如纳米卷。这种纳米卷在继承原有结构优异特性的同时,可能产生与众不同的新性质。但是,目前的研究现状受限于机械强度和化学稳定性,高质量TMDs纳米卷的制备存在巨大的挑战。

二维材料是有原子级的厚度的平面材料,有着崭新的物理化学性能,可以预期它们有重要的理论研究价值和实现重要技术突破的可能。二维过渡金属二硫族化合物,由于量子限域效应,展示了许多与其块体材料不同的光、电、磁性质。具有本征带隙的二维TMDs,作为零带隙石墨烯材料的互补材料,为新型场效应晶体管与光电器件提供了新的可能。最近关注的焦点集中于它们本征的或者平面异质结结构的制备及其性质、应用的研究,尤其是在二维尺度的研究上。除了二维尺寸和形式的变化,原子级薄的TMDs片自组装,是一个新兴的领域,目前探索很少。作为一种纸状的薄膜材料,通过折叠和卷曲的组装过程可以把二维材料相对简单的结构变成复杂的拓扑结构,如纳米卷。这种纳米卷在继承原有结构优异特性的同时,可能产生与众不同的新性质。但是,目前的研究现状受限于机械强度和化学稳定性,高质量TMDs纳米卷的制备存在巨大的挑战。

在国家自然科学基金委和中国科学院先导项目的大力支持下,中科院化学研究所有机固体重点实验室研究员郑健课题组研究人员开发了一种简便的溶液诱导组装方法,可以几乎无损地获得本征TMDs纳米卷。气相沉积法制备的二维TMDs与衬底材料具有不同的热膨胀系数,因此从高温生长完成到冷却至室温时在二维材料表面会产生较大的张力。研究者仅用一滴乙醇溶液,滴到CVD生长的二维材料表面,利用乙醇溶液的插入效应,在5秒钟内获得了高质量的TMDs纳米卷,收率接近100%。扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼测试表征展示了获得的TMDs纳米卷卷曲致密、无杂质、高结晶性的特点。基于其阿基米德螺旋结构,纳米卷的整个片层都能够参与载流子的输运,与单层TMDs片相比,TMDs纳米卷的场效应晶体管迁移率是卷曲前单层TMDs片迁移率的30倍。独特的自封装结构使TMDs纳米卷展示了更高的光、电稳定性。此外,基于其内部开放的拓扑结构,以纳米卷为载体,在其间隙可调的层间负载了有机半导体分子、聚合物、纳米粒子、二维材料以及生命活性物质,制备了在分子水平上复合的异质TMDs纳米卷,这将会赋予TMD-NS新的属性和功能。这些独特的性质为未来TMDs纳米卷应用于太阳能电池、光探测器、柔性逻辑电路、能源存储和生物传感等领域提供了材料基础。

在国家自然科学基金委和中国科学院先导项目的大力支持下,中科院化学研究所有机固体重点实验室研究员郑健课题组研究人员开发了一种简便的溶液诱导组装方法,可以几乎无损地获得本征TMDs纳米卷。气相沉积法制备的二维TMDs与衬底材料具有不同的热膨胀系数,因此从高温生长完成到冷却至室温时在二维材料表面会产生较大的张力。研究者仅用一滴乙醇溶液,滴到CVD生长的二维材料表面,利用乙醇溶液的插入效应,在5秒钟内获得了高质量的TMDs纳米卷,收率接近100%。扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼测试表征展示了获得的TMDs纳米卷卷曲致密、无杂质、高结晶性的特点。基于其阿基米德螺旋结构,纳米卷的整个片层都能够参与载流子的输运,与单层TMDs片相比,TMDs纳米卷的场效应晶体管迁移率是卷曲前单层TMDs片迁移率的30倍。独特的自封装结构使TMDs纳米卷展示了更高的光、电稳定性。此外,基于其内部开放的拓扑结构,以纳米卷为载体,在其间隙可调的层间负载了有机半导体分子、聚合物、纳米粒子、二维材料以及生命活性物质,制备了在分子水平上复合的异质TMDs纳米卷,这将会赋予TMD-NS新的属性和功能。这些独特的性质为未来TMDs纳米卷应用于太阳能电池、光探测器、柔性逻辑电路、能源存储和生物传感等领域提供了材料基础。

该工作近期发表在《自然-通讯》(Nature Commun. 2018, 9: 1301, DOI: 10.1038/s41467-018-03752-5)上。

该工作近期发表在《自然-通讯》上。

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图1 CVD生长的TMDs片自卷曲的示意图

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图2 MoS2纳米卷的形貌 、结构 、光电性能表征 及复合TMDs纳米卷 。

图1 CVD生长的TMDs片自卷曲的示意图

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图2 MoS2纳米卷的形貌 、光电性能表征 及复合TMDs纳米卷 。(比例尺:a, c, d, 5 μm; b, 20 nm, 插图, 2 nm; f, 10nm; g, 2 nm.)

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