産業資訊 / Industry

梳理:從近期 Nature 看二維納米材料的最新進展

以單層石墨烯為代表的各類二維納米材料由于其多樣的理化性質,以及在器件、傳感、催化、醫藥和能源等領域的的廣泛應用前景而倍受關注。近期,二維納米材料的研究成果層出不窮,更是在國際頂尖學術期刊發表的文章中占有一席之地。Nature作為當今全球最具影響力的學術期刊之一,引領着科學界最前沿的研究方向。

以下彙總了近幾個月在Nature正刊上發表的二維納米材料的研究成果。涉及的二維材料包括石墨烯、MoS2、WSe2 、WTe2 、MoO3 、Fe3GeTe2等,研究的方向包含了制備表征,物理特性,和器件、儲能中的應用等,覆蓋的範圍不可謂不廣。

這些成果來自于世界各地的研究者,包括材料大牛段鑲鋒團隊,蘇州大學的鮑橋梁團隊,以及複旦大學的張遠波團隊等。 希望這些成果彙總能對二維材料的研究者有所啟發。

一、石墨烯

近期研究者對石墨烯在水分子滲透器件、太赫茲技術和锂離子儲能等方面的應用進行了探讨,并在Nature上刊登了研究成果:

1.基于石墨烯氧化物的電場可控的水滲透技術

研究方向:器件應用

控制水分子在薄膜或毛細管中的傳輸在水淨化與醫療保健領域具有重要意義。英國曼徹斯特大學的R.R.Nair教授和團隊通過可控電場擊穿氧化石墨烯膜并在其内部形成導電通道,利用内部的局部電場電離水分子,并通過施加的電流強度來控制水分子的流量。作者們同時讨論了氧化石墨烯薄膜厚度,氫離子和氫氧根離子等因素對水分子傳輸動力學的影響。這個成果為研發智能薄膜技術、人工生物系統開辟了新的途徑。

文獻鍊接:Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes (Nature 559, 236–240)

2.石墨烯上由迪拉克費米子産生的高效太赫茲高次諧波

研究方向:物理特性

石墨烯被多次預測認為可以産生光諧波,并在太赫茲技術上發揮關鍵作用。理論上,它應該能夠達到比當今的矽基電子器件快千倍的時鐘頻率。德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心Michael Gensch團隊和杜伊斯堡-埃森大學以及馬普所聚合物研究所的Dmitry Turchinovich團隊展開合作,首次展示了采用頻率在0.3–0.68 THz之間的電磁脈沖,在石墨烯中轉化為三倍、五倍、七倍于初始頻率的電磁波,即太赫茲頻率範圍。測量值與熱力學模型得出的結果一緻。這一突破表明基于石墨烯的器件能在超快時鐘頻率下高效地運作,并為超高速石墨烯基納米電子器件鋪平了道路。

文獻鍊接:Extremely efficient terahertz high-harmonic generation in graphene by hot Dirac fermions (Nature 561, 507–511)

3.石墨烯片層間超密锂儲存

研究方向:儲能應用,表征技術

碳材料是锂離子可逆電池的主體材料,锂離子在這些碳材料上的排列方式卻難以觀測。使用原位TEM的問題在于這種技術不适用輕質元素,尤其是Li的表征。德國馬普固體研究所Jurgen H. Smet團隊和德國烏爾姆大學Ute Kaiser團隊采用了一種低壓原位TEM,實現了對雙層石墨烯中锂離子可逆插層和排列的實時觀測。研究團隊利用球差和色差矯正來保證足夠的對比度和分辨率,并加以電子能量損失能譜和DFT計算的輔助,發現锂原子在雙層石墨烯片層中間形成多層緻密結構,使得锂儲存容量遠超LiC6結構。這項研究揭示了一種全新的離子在二維層狀材料中的儲存機理。

文獻鍊接: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報道了一項亞埃分辨率顯微鏡表征MoS2的工作,以及一種高效的MoS2制備方法和其在電子元件上的應用。除此之外,還探讨了MoS2 與WSe2形成範德華異質結構下的激子操控:

1.亞埃分辨率電子顯微鏡表征二維材料

研究方向:表征技術

獲得原子分辨率的成像是探索納米材料的重要條件。電子顯微鏡的分辨率一般由數值孔徑和電子束能量決定,為避免二維材料的位移損壞,成像往往在低能量下進行,故分辨率被制約在1埃左右。美國康奈爾大學的David A. Muller團隊采用一種新的層疊衍射圖像重構技術(ptychography),在低電壓成像條件下,實現了0.04納米的分辨率,刷新了紀錄。這種成像技術采用原子大小的電子束,采集二維掃描區域每個位置的衍射圖,再通過成像算法重建出材料的結構。在重構圖裡能夠非常清晰地看見MoS2中單個硫原子缺陷。該方法對研究更複雜的材料缺陷,三維重構等技術都可能産生革命性的影響。

文獻鍊接:Electron ptychography of 2D materials to deep sub-ångström resolution (Nature 559, 343–349)

2.室溫下範德華異質結構中電場可控的激子流量

研究方向:器件應用

基于操控激子的器件有望實現光學數據傳輸和電子處理系統間的有效互聯,但是激子極短的壽命以及極低溫度的工作條件限制了它們在這個領域的有效應用。瑞士洛桑聯邦理工學院的Andras Kis團隊發明了一種使用激子的晶體管,該晶體管基于二維半導體WSe2和MoS2範德華異質結構,可在室溫下有效地發揮作用。在MoS2–WSe2體系下産生的激子有更長的壽命,可以在室溫下擴散很遠。作者們進一步通過施加電勢等方式來控制激子流量和動力學。這一成果展示了二維材料在基于操控激子的器件中的應用前景。

文獻鍊接:Room-temperature electrical control of exciton flux in a van der Waals heterostructure (Nature 560, 340–344)

2.可用于大面積電子元件的二維半導體

研究方向:制備方法,器件應用

二維半導體,例如MoS2納米片,在大面積薄膜電子器件領域極具應用前景,但目前制備高質量、可溶液處理的二維半導體納米片仍然是一項挑戰。美國加州大學洛杉矶分校的Xiangfeng Duan和Yu Huang團隊通過電化學方法将季铵鹽分子嵌入到二維半導體層間,在經過超聲和剝落處理後,他們得到了高純度的半導體相MoS2納米片,且厚度非常均一。這些納米片進一步被加工成高性能薄膜晶體管,可用于構建功能邏輯門電路。這種插層/剝離方法還可廣泛應用于其他各種二維材料的制備,為用于大面積電子器件的高質量納米片的生産提供了有力支持。

文獻鍊接:Solution-processable 2D semiconductors for high-performance large-area electronics (Nature 562, 254–258)

三、磁性二維材料和天然範德華材料

近期Nature報道了一些二維材料的電磁特性,如WTe的鐵電反轉,Fe3GeTe2的鐵磁性等。除此之外,還報道了一種天然範德華材料α-MoO3的極化子傳播現象:

1.二維金屬的鐵電反轉

研究方向:物理特性

鐵電體是一類重要的極性材料,其極化方向在外加電場作用下可以發生反轉。當材料變薄到單原子層結構時,它們的性質往往會發生根本性變化,比如單層WTe2在低溫下可轉變成二維拓撲絕緣體或超導體。美國華盛頓大學西雅圖分校的David H. Cobden團隊首次驗證了WTe2拓撲半金屬二維材料在室溫下的鐵電極化反轉能力。研究人員構建了多層WTe2堆疊的結構,當電場上下掃描雙層和三層WTe2器件時,他們觀察到了鐵電轉換行為,且該極化過程可以通過栅電極進行控制。鐵電性是除量子自旋霍爾效應、關聯效應和超導性以外在WTe2中新發現的一種重要物理性質。

文獻鍊接:Ferroelectric switching of a two-dimensional metal (Nature 560, 336–339)

2.天然範德華晶體中的面内各向異性和超低損耗極化子

研究方向:物理(光學)特性

在石墨烯和二維範德華材料中存在強大的極化子場限。理論預測了範德華材料的面内各向異性和電子特性可以導緻極化子在其表面各向異性傳播,但研究者們在天然材料中還難以觀察到這一現象。蘇州大學Qiaoliang Bao和西班牙奧維耶多大學Rainer Hillenbrand團隊報告了極化子沿着一種天然範德華材料,α-MoO3的表面各向異性傳播。所測量的極化子的振幅壽命為8皮秒,比室溫下石墨烯等離激元的極化子的壽命長十倍多,也是目前報道的氮化硼的聲子極化子和低溫石墨烯等離激元的極化子的4倍。這項研究成果表明範德華材料中的面内各向異性和超低損耗極化子可以實現定向的光與物質的相互作用,并可以應用于生物傳感和量子納米光學。

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

3.二維Fe3GeTe2中室溫下栅壓可調的鐵磁性

研究方向:物理特性

磁性材料的研究對自旋子器件的發展有着重大意義。範德華晶體有着很好的化學穩定性,并且厚度很薄,易于調制。最近研究人員探測到了一些絕緣層狀材料在低溫下的二維磁性,但這些材料的絕緣性質和低于室溫的工作條件成為其在電子器件應用中不小的障礙。複旦大學的Yuanbo Zhang團隊從一種金屬性的層狀材料Fe3GeTe2 上分離出單層結構并研究了它的磁輸運性質。單層的Fe3GeTe2在低溫下仍具有鐵磁性以及面外磁各向異性。更重要的是,他們利用栅壓調制等技術使得樣品的鐵磁轉變溫度提高到室溫以上,為未來範德華薄膜材料在電勢可控的電磁器件上的應用提供了參考。

本文來自材料牛,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

相關文章

免费观看在线污污的视频,免费视频在线观看