近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、中國科學(xué)院金屬研究所和深圳理工大學(xué)（籌）成會明院士與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)電子學(xué)院康寧副教授合作，在二維過渡金屬碲化物材料的宏量製備方向取得了新進(jìn)展，相關(guān)成果於4月3日在線發(fā)表在《自然》雜誌上，審稿人評價該方法簡單、快速、高效，對二維材料的宏量製備具有普適意義。
宏量可控制備的二維過渡金屬在碲化物納米片
二維過渡金屬碲化物材料是一類新興的二維材料，由碲原子（Te）和過渡金屬原子（如鉬、鎢、鈮等）組成，其微觀結(jié)構(gòu)類似於「三明治」，過渡金屬原子被上下兩層的碲原子「夾」住，形成層狀二維材料。二維過渡金屬碲化物材料因其奇特的超導(dǎo)、磁性、催化活性等物理和化學(xué)性質(zhì)，在量子通訊、催化、儲能、光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力，受到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。例如，過渡金屬碲化物具有高導(dǎo)電性和大比表面積，可作為高性能超級電容器和電池的電極材料；過渡金屬碲化物納米片表面具有豐富可調(diào)的活性位點(diǎn)，可用做製備綠氫和雙氧水的電催化劑，提高催化劑的選擇性、效率和性能；該材料還展現(xiàn)出特有的量子現(xiàn)象，如超導(dǎo)和巨磁電阻等，可作為下一代低功耗器件和高密度磁性存儲器件的材料。然而，目前該材料還無法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的宏量製備，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。
二維過渡金屬碲化物材料一般採用「自上而下」的製備方法，如同拆解積木，通過機(jī)械力或化學(xué)作用方式將其一層一層剝離下來，從而製備出單層的二維納米片。常用的「自上而下」方法有化學(xué)插層剝離法、球磨法、膠帶剝離法、液相超聲法等，其中化學(xué)插層剝離法的剝離效率雖然最高，但剝離仍需要數(shù)小時?？茖W(xué)家們大多採用有機(jī)鋰試劑作為插層劑，即將含有鋰離子的插層劑插入塊體層狀結(jié)構(gòu)材料的片層中，並利用鋰和水的反應(yīng)使插層劑「膨脹」，在每一層間形成一個「氣壓柱」，將疊在一起的納米片層層「撐開」，就如同使用了一把「化學(xué)刮刀」一層一層地將納米片「刮」下來，這種層間的氣體膨脹作用力遠(yuǎn)大於機(jī)械剝離力，可以提高剝離效率。但有機(jī)鋰是一種易燃易爆的液體試劑，具有很大的安全隱患，因此，實(shí)現(xiàn)安全、高效的化學(xué)剝離成為科學(xué)家努力的目標(biāo)。
該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地採用固相化學(xué)插層剝離方法，篩選出了一種固相插層試劑——硼氫化鋰。硼氫化鋰具有強(qiáng)還原性質(zhì)，在乾燥空氣中穩(wěn)定，可用於高溫固相插鋰反應(yīng)，解決了插層反應(yīng)速度慢的問題，從而實(shí)現(xiàn)了安全、高效、快速的插層剝離。整個插層剝離過程只需10分鐘，可宏量製備出百克級（108克）碲化鈮納米片，與液相化學(xué)插層剝離法製備量均小於1克比，此方法的產(chǎn)量提升了兩個數(shù)量級。
團(tuán)隊(duì)還利用此方法製備出了五種不同過渡金屬的碲化物納米片和十二種合金化合物納米片，證明其具有普適性。他們還觀察到了多種特徵的量子輸運(yùn)現(xiàn)象，例如碲化鉬（MoTe2）納米片具有依賴於厚度的金屬-絕緣體相變，碲化鎢（WTe2）納米片具有巨磁電阻和舒勃尼科夫-德哈斯效應(yīng)等。
該方法製備出的二維過渡金屬碲化物納米片溶液和粉體具有良好的加工性能，可以作為各種功能性漿料，實(shí)現(xiàn)薄膜、絲網(wǎng)印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定製化加工等，有望在高性能量子器件、柔性電子、微型超級電容器、電池、催化、電磁屏蔽、複合材料等方向發(fā)揮重要作用。（記者 林麗青）
頂圖：科學(xué)家實(shí)現(xiàn)二維金屬碲化物材料的宏量製備
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